解析科學(xué)界已知的蛋白結(jié)構(gòu)需要多久？過去的答案是：30萬年。
上世紀(jì)60年代至今，科學(xué)家已解析超過18萬個蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)；但目前人類已知的蛋白序列超過一億，要實(shí)現(xiàn)終極解析目標(biāo)，還需要長期不懈的努力。近日，AlphaFold2數(shù)據(jù)庫一舉公布超過35萬種蛋白結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并有望在數(shù)月內(nèi)預(yù)測所有已知的蛋白分子結(jié)構(gòu)。
且不說AI蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測的有效性和完整性，結(jié)構(gòu)生物學(xué)還有哪些硬核研究的突破空間？對于產(chǎn)業(yè)界而言，又如何結(jié)合堅(jiān)實(shí)的研發(fā)平臺和前沿的科技手段，基于靶蛋白結(jié)構(gòu)解析和藥物-靶點(diǎn)動態(tài)構(gòu)效分析推進(jìn)新藥開發(fā)？在SDDA第27期論壇上，來自學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的專家探討了基礎(chǔ)研究與跨界科技的發(fā)展與融合方向。
探索GPCR網(wǎng)絡(luò)奧妙，透視最大藥靶家族
GPCR（G protein-coupled receptors，G蛋白偶聯(lián)受體）蛋白家族，是科學(xué)家最為關(guān)注的藥靶寶藏之一。超過800種 GPCR蛋白功能影響著心血管疾病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病、代謝性疾病、癌癥等多種疾病的發(fā)生發(fā)展。迄今約40%的上市藥物皆以該家族受體為靶點(diǎn)，但目前仍有數(shù)百種GPCR蛋白是新藥開發(fā)的空白地帶。
龐大的GPCR家族蘊(yùn)藏著哪些奧妙？在論壇中，來自上海科技大學(xué)的劉志杰教授為大家談到聚焦于該領(lǐng)域十余年的研究認(rèn)知：“屬于膜蛋白的GPCR由于表達(dá)量低、構(gòu)象復(fù)雜多變，其純化工作和全結(jié)構(gòu)解析挑戰(zhàn)巨大。”而研究GPCR更具挑戰(zhàn)的，是理解其多種功能狀態(tài)的調(diào)控機(jī)制以及下游的雙向“陰陽”通路：GPCR可以表現(xiàn)為失活、類激活、全激活等多種功能狀態(tài)；被稱作七次跨膜受體的GPCR，既可以激活G蛋白信號通路（當(dāng)前仍是主流研究方向），也可以結(jié)合Arrestin蛋白并引發(fā)GPCR脫敏、內(nèi)化、復(fù)敏、細(xì)胞增殖和基因轉(zhuǎn)錄。
“經(jīng)過多年基礎(chǔ)研究，人們逐漸揭開了GPCR調(diào)控和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的神秘面紗。通過分析不同功能狀態(tài)的三維結(jié)構(gòu)、構(gòu)象變化、配體結(jié)合位點(diǎn)和相應(yīng)生物物理特性，不僅可以支持新藥研發(fā)人員設(shè)計傳統(tǒng)的激動劑、拮抗劑、反向激動劑等正構(gòu)藥物；也將為科學(xué)界提供新思路，開發(fā)選擇性更好的別構(gòu)藥物、Arrestin蛋白偏向性藥物（biased ligand），以及可同時作用于正位和變構(gòu)位點(diǎn)的多價配體（dualsteric/multivalent ligand）。”
劉教授表示，目前AI系統(tǒng)可基于人類已知技術(shù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和計算，使蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)預(yù)測精度前進(jìn)了一大步，但目前還缺乏與藥物研發(fā)密切相關(guān)的氨基酸側(cè)鏈、配體與蛋白分子相互作用的關(guān)鍵信息。“如果AI系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對上述特性以及蛋白質(zhì)動態(tài)性質(zhì)的全面預(yù)測，可能需要利用量子計算機(jī)的分子動力學(xué)工具，從第一性原理角度考察不同功能狀態(tài)的GPCR屬性，我們期待未來看到AI+量子計算科技的發(fā)展新方向。”
聚焦動態(tài)構(gòu)效分析，參透藥理機(jī)制難點(diǎn)
作為業(yè)界領(lǐng)先的結(jié)構(gòu)生物學(xué)平臺負(fù)責(zé)人，佰翱得總經(jīng)理吳家權(quán)博士在演講中表示，面對全球產(chǎn)業(yè)界激烈的競爭格局，國內(nèi)企業(yè)在產(chǎn)品線立項(xiàng)時不斷向源頭創(chuàng)新探索，并在靶點(diǎn)、機(jī)制、制劑層面呈現(xiàn)不少創(chuàng)新亮點(diǎn)，而基于靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)和生物機(jī)理研究的藥物開發(fā)仍是新藥研發(fā)的起點(diǎn)和主流方向。
佰翱得近期通過藥物-靶點(diǎn)構(gòu)效關(guān)系分析，成功詮釋了一款抗新冠病毒臨床新藥的藥理機(jī)制。吳家權(quán)博士表示：“至今靶向新冠病毒的特異性藥物仍然缺位，原本用于治療埃博拉病毒的瑞德西韋（Remdesivir）和治療流感的法匹拉韋（Favipiravir），已在全球不少地區(qū)用于應(yīng)對疫情。我們針對境外客戶開發(fā)的一種RdRP（RNA-dependent RNA polymerase, RNA依賴式RNA聚合酶）抑制劑，在60天內(nèi)完成其機(jī)理研究，并通過解析RdRP和小分子藥物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該藥物分子不僅可以共價修飾RNA底物，還可以結(jié)合其它位點(diǎn)抑制RdRP蛋白NSP8的激活步驟，從而抑制下游RNA復(fù)制信號通路啟動。該藥物靶向新冠病毒的高選擇性有望超過瑞德西韋、法匹拉韋數(shù)倍。”
劉志杰教授團(tuán)隊(duì)在研究大麻素受體（cannabinoid receptor，CB）結(jié)構(gòu)的同時，也在動態(tài)構(gòu)效層面分析了該家族蛋白與多種有成藥潛力小分子的復(fù)合物。大麻中的致幻成份——四氫大麻酚（THC）主要作用于人體內(nèi)源性大麻素受體CB1、CB2，兩者的多種配體（激動劑、拮抗劑）可用于治療疼痛、炎癥、神經(jīng)退行性疾病、肥胖癥以及肝纖維化等疾病。
其中，CB1為中樞神經(jīng)系統(tǒng)分布最為廣泛的GPCR蛋白之一，與基于THC開發(fā)的多種激動劑小分子結(jié)合后，會發(fā)生劇烈的構(gòu)象變化，且兩個氨基酸位點(diǎn)會發(fā)生協(xié)同構(gòu)象變化（twin toggle switch）。“由此我們從分子水平解釋了THC為何致癮性較弱。另外一個有趣的發(fā)現(xiàn)，是CB1、CB2與拮抗劑分別結(jié)合后構(gòu)象反差很大；CB1與激活劑結(jié)合、CB2與拮抗劑及激動劑結(jié)合的三類復(fù)合物結(jié)構(gòu)高度相似。兩種大麻素受體的結(jié)構(gòu)研究，將對它們在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)中分別發(fā)揮的功能研究、以及未來相關(guān)新藥開發(fā)提供重要參考。”
傳統(tǒng)研究攜手AI科技，推動新藥開發(fā)進(jìn)步
近期AlphaFold2針對人類和多種模式動物、細(xì)胞的靜態(tài)蛋白三維結(jié)構(gòu)做出了精準(zhǔn)預(yù)測，有科學(xué)家認(rèn)為該成果是人類基因組測序完成之后的又一重大生命科學(xué)突破。劉志杰教授表示：“目前AI數(shù)據(jù)庫預(yù)測的是蛋白在穩(wěn)定、低能量狀態(tài)下的三維結(jié)構(gòu)，藥物開發(fā)則需要重點(diǎn)研究激活態(tài)、高能量狀態(tài)下的蛋白結(jié)構(gòu)和屬性，并以此為起點(diǎn)解析原子水平的蛋白-蛋白相互作用、蛋白-配體復(fù)合物結(jié)構(gòu)。機(jī)器學(xué)習(xí)的成果對于我們的基礎(chǔ)研究有重要參考價值，我們未來還需要探索更多的蛋白-配體動態(tài)構(gòu)效關(guān)系以及蛋白潛在成藥結(jié)合位點(diǎn)信息。“
在基礎(chǔ)科學(xué)之外，從計算機(jī)輔助藥物設(shè)計、DNA編碼化合物庫到數(shù)字化臨床運(yùn)營解決方案等層面，計算科學(xué)與生物醫(yī)藥的跨界研究已經(jīng)廣泛應(yīng)用于新藥開發(fā)。吳家權(quán)博士表示：“佰翱得從基因組研究到蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)，建立了蛋白質(zhì)表達(dá)、純化、分析的一站式平臺，結(jié)合經(jīng)典結(jié)構(gòu)生物學(xué)以及計算機(jī)科學(xué)并形成了有特色的‘千靶萬苗’庫、靶點(diǎn)+苗頭化合物構(gòu)效關(guān)系數(shù)據(jù)包，我們希望結(jié)合傳統(tǒng)研究和前沿科技，通過精準(zhǔn)共晶結(jié)構(gòu)性研究探索靶蛋白與藥物分子的動態(tài)構(gòu)效關(guān)系，從源頭創(chuàng)新賦能全球新藥研發(fā)。”
SDDA執(zhí)行主席、勁方醫(yī)藥董事長呂強(qiáng)博士表示：“近期監(jiān)管機(jī)構(gòu)頒布的新政，肯定了機(jī)制創(chuàng)新的重要性。我們相信更多的有識之士，會從基礎(chǔ)科學(xué)突破中探索原創(chuàng)的靶點(diǎn)、機(jī)制和藥物分子設(shè)計，而機(jī)制創(chuàng)新的源頭便是頂尖學(xué)術(shù)界機(jī)構(gòu)和各學(xué)科的領(lǐng)軍學(xué)者。近期AI系統(tǒng)對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的進(jìn)步，使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究成為生物學(xué)經(jīng)典而熱門的領(lǐng)域，期待科學(xué)家們能夠從該領(lǐng)域的硬核成果中獲得更多靈感，推動新藥開發(fā)、造福全球患者。”
