解析科學界已知的蛋白結(jié)構(gòu)需要多久？過去的答案是：30萬年。
上世紀60年代至今，科學家已解析超過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，要實現(xiàn)終極解析目標，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)預測的有效性和完整性，結(jié)構(gòu)生物學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)合堅實的研發(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-靶點動態(tài)構(gòu)效分析推進新藥開發(fā)？在SDDA第27期論壇上，來自學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的專家探討了基礎研究與跨界科技的發(fā)展與融合方向。
探索GPCR網(wǎng)絡奧妙，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，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家族蘊藏著哪些奧妙？在論壇中，來自上海科技大學的劉志杰教授為大家談到聚焦于該領域十余年的研究認知：“屬于膜蛋白的GPCR由于表達量低、構(gòu)象復雜多變，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、復敏、細胞增殖和基因轉(zhuǎn)錄。
“經(jīng)過多年基礎研究，人們逐漸揭開了GPCR調(diào)控和信號轉(zhuǎn)導的神秘面紗。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)合位點和相應生物物理特性，不僅可以支持新藥研發(fā)人員設計傳統(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)進行深度學習和計算，使蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)預測精度前進了一大步，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)要實現(xiàn)對上述特性以及蛋白質(zhì)動態(tài)性質(zhì)的全面預測，可能需要利用量子計算機的分子動力學工具，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，參透藥理機制難點
作為業(yè)界領先的結(jié)構(gòu)生物學平臺負責人，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)品線立項時不斷向源頭創(chuàng)新探索，并在靶點、機制、制劑層面呈現(xiàn)不少創(chuàng)新亮點，而基于靶點結(jié)構(gòu)和生物機理研究的藥物開發(fā)仍是新藥研發(fā)的起點和主流方向。
佰翱得近期通過藥物-靶點構(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)合其它位點抑制RdRP蛋白NSP8的激活步驟，從而抑制下游RNA復制信號通路啟動。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。”
劉志杰教授團隊在研究大麻素受體（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)進步
近期AlphaFold2針對人類和多種模式動物、細胞的靜態(tài)蛋白三維結(jié)構(gòu)做出了精準預測，有科學家認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突破。劉志杰教授表示：“目前AI數(shù)據(jù)庫預測的是蛋白在穩(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，并以此為起點解析原子水平的蛋白-蛋白相互作用、蛋白-配體復合物結(jié)構(gòu)。機器學習的成果對于我們的基礎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)合位點信息。“
在基礎科學之外，從計算機輔助藥物設計、DNA編碼化合物庫到數(shù)字化臨床運營解決方案等層面，計算科學與生物醫(yī)藥的跨界研究已經(jīng)廣泛應用于新藥開發(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、純化、分析的一站式平臺，結(jié)合經(jīng)典結(jié)構(gòu)生物學以及計算機科學并形成了有特色的‘千靶萬苗’庫、靶點+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)藥董事長呂強博士表示：“近期監(jiān)管機構(gòu)頒布的新政，肯定了機制創(chuàng)新的重要性。我們相信更多的有識之士，會從基礎科學突破中探索原創(chuàng)的靶點、機制和藥物分子設計，而機制創(chuàng)新的源頭便是頂尖學術(shù)界機構(gòu)和各學科的領軍學者。近期AI系統(tǒng)對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測的進步，使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究成為生物學經(jīng)典而熱門的領域，期待科學家們能夠從該領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。”
