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医学院布莱恩·克比尔卡研究组揭示beta2肾上腺素受体胞内别构拮抗剂的工作机理

物理系张定等合作在界面高温超导增强机理研究取得重要进展

医学院布莱恩·克比尔卡研究组

揭示beta2肾上腺素受体胞内别构拮抗剂的工作机理

8月17日，清华大学医学院、结构生物学高精尖创新中心教授、千人计划入选者布莱恩·克比尔卡 （Brian Kobilka）研究组在《自然》（Nature）期刊在线发表题为《利用X射线晶体结构揭示beta2肾上腺素受体胞内别构拮抗剂的工作机理》的文章 （Mechanism of intracellular allosteric β2AR antagonist reveled by X-ray crystal structure），首次报道了beta2肾上腺素受体同时结合正构拮抗剂卡拉洛尔（carazolol）与胞内别构拮抗剂Cmpd-15的复合物结构，该成果对G蛋白偶联受体别构调节物的研发具有指导意义。 

beta2肾上腺素受体和Cmpd-15PA（即修饰后的cmpd-15）复合物的整体结构。其中a是Cmpd-15PA的化学结构，b是Cmpd-15PA活性数据，c是Cmpd-15PA的电子密度（晶体学数据），d-f展示了复合物的整体结构，清楚表明Cmpd-15结合在beta2肾上腺素受体的胞内部分。

G蛋白偶联受体是一类具有七次跨膜结构的膜蛋白受体。这类受体可以感知包括气味分子、激素、神经递质、趋化因子等信号，从而调节生理反应。G蛋白偶联受体是一类重要的药物靶标，大约30%的商业化药物以G蛋白偶联受体作为靶点。由于对G蛋白偶联受体结构和功能研究的杰出贡献，布莱恩·克比尔卡教授和罗伯特·莱夫科维茨教授分享了2012年的诺贝尔化学奖。

传统上针对G蛋白偶联受体的药物研发工作主要以其正构底物结合位点（即天然底物结合位点）为靶点。这类正构底物结合位点在不同亚型的G蛋白偶联受体之间往往非常保守。例如，在人体中一共有九个肾上腺素受体，它们都可以被肾上腺素激活，所以其正构底物结合位点十分相似。这就导致研发出的药物往往对不同亚型的特异性不够，造成药物副作用。别构调节物指的是不结合在G蛋白偶联受体正构底物结合位点的小分子化合物。其结合位置通常保守性较低，因此有可能具有更好的特异性。目前报道的G蛋白偶联受体结构大多数都是结合了正构拮抗剂，只有极少数结构里面结合了别构调节物。布莱恩·克比尔卡教授自从在清华大学建立实验室以来，一直保持和世界上不同实验室合作，共同研发G蛋白偶联受体的别构调节物，并利用结构生物学的方法研究别构调节物发挥功能的分子机理。

胞内别构拮抗剂第15号化合物（Cmpd-15）是罗伯特·莱夫科维茨研究组利用亲和筛选的方式，从DNA编码的小分子化合物库里面鉴定出来的一个beta2肾上腺素受体别构拮抗剂 （Ahn, S. et al. 2017）。生化实验表明，第15号化合物可能穿过细胞膜，结合在beta2肾上腺素受体的胞内位置。Beta肾上腺素受体的正构拮抗剂，即乙型阻滞剂（beta-blocker）是一类极为重要的处方药。而Cmpd-15是第一个别构型的乙型阻滞剂，其重要性不言而喻。

在这项工作中，布莱恩·克比尔卡研究组利用一个beta2肾上腺素受体和T4溶菌酶的融合蛋白（β2AR-T4L）进行晶体学研究。研究初期利用T4溶菌酶的融合蛋白与Cmpd-15共结晶，获得了2.5埃的晶体数据。但是由于胞内别构拮抗剂Cmpd-15溶解性很差，在结晶条件中最高只能加到200uM。在晶体数据里虽然看到胞内部分有很弱的电子密度，但是无法准确判断其结合方式。后来合作研究组对Cmpd-15进行了修饰，在其上加入一个羧酸聚乙二醇基团以提高其溶解度。改造后的小分子即为Cmpd-15PA。 布莱恩·克比尔卡研究组又获得了T4溶菌酶的融合蛋白与Cmpd-15PA复合物2.7埃的晶体结构。其晶体数据清楚地揭示了Cmpd-15的结合方式，羧酸聚乙二醇基团在晶体中处于柔性不可见的状态。Cmpd-15结合在跨膜螺旋1、2、6、7的胞内端与胞内环1以及螺旋8形成的底物口袋。结构分析、分子动态模拟以及生化实验结果表明，Cmpd-15通过两种方式形成功能：一是通过稳定跨膜螺旋6，将beta2肾上腺素受体稳定在非激活状态，从而影响正构底物的亲和力；二是直接与下游信号蛋白如G蛋白或者抑制蛋白 （arrestin）竞争，干扰下游信号传导。

beta2肾上腺素受体和Cmpd-15PA结合的细节。

值得注意的是，2016年12月《自然》期刊曾经报道了两个趋化因子受体CCR2和CCR9与各自胞内别构调节物的复合物结构（Zheng, Y. et al. 2016； Oswald, C. et al. 2016）。尽管小分子的化学结构很不一样，和小分子相互作用的氨基酸序列也不保守，但是本工作中肾上腺素能受体β2抗体 （β2AR）上的第十五化合物结合区域和趋化因子受体上的别构调节物结合区域在结构上很接近，都是由跨膜螺旋1、2、6、7的胞内部分组成，这表明该位置可能在不同类型的G蛋白偶联受体里面都可以作为别构调节物结合口袋。因而，本工作对针对其他G蛋白偶联受体的别构药物研发工作具有指导意义。

本论文是布莱恩·克比尔卡教授与杜克大学罗伯特·莱夫科维茨教授、常州大学陈新教授以及斯坦福大学罗恩·德洛尔（Ron Dror）教授共同合作的成果。其中，布莱恩·克比尔卡教授实验室负责结构生物学工作，罗伯特·莱夫科维茨教授实验室负责生化实验工作，陈新教授实验室负责化学合成工作，罗恩·德洛尔教授实验室负责分子动态模拟工作。布莱恩·克比尔卡教授与罗伯特·莱夫科维茨教授为本文共同通讯作者。医学院助理研究员刘翔宇博士与杜克大学佐恩科尔·安（Seungkirl Ahn）博士为本文的共同第一作者。

论文链接：

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature23652

物理系张定等合作在界面高温超导增强机理研究取得重要进展

8月9日，清华大学物理系助理教授张定、副研究员王立莉、教授薛其坤与中科院大连化物所研究员姜鹏、教授包信和等合作在《自然-通讯》(Nature Communications)在线发表题为《钛酸锶上单层铁硒中的电荷转移及电声耦合增强的起源》(Origin of charge transfer and enhanced electron-phonon coupling in single unit-cell FeSe films on SrTiO3)的研究论文。论文阐述了钛酸锶中能带弯曲导致的电荷转移以及强化的钛氧(Ti-O)键对电声耦合的增强作用，在解决该体系的高温超导机理方面走出了关键一步。

发现新的超导材料和理解高温超导机理是当今凝聚态物理研究的两个重要方向。2012年，物理系薛其坤教授团队发现了单层铁硒(FeSe)与钛酸锶(SrTiO3)衬底结合而演生出的界面高温超导，其超导能隙相比铁硒体材料提高了近十倍，是自1986年铜氧化物高温超导被发现以后第一个超导转变温度在液氮温区附近的高温超导体系，这一发现对国际超导领域产生了深远的学术影响，其界面增强超导效应得到广泛关注。研究成果以《钛酸锶上单层铁硒中界面导致的高温超导》（Interface-induced high temperature superconductivity in single unit-cell FeSe films on SrTiO3.）为题，发表于2012年3月11日出版的《中国物理快报》（Chinese Physics Letters）上。随后的实验和理论研究表明，钛酸锶衬底对单层铁硒掺杂电子以及钛酸锶声子在高温超导中均扮演了重要角色。然而，人们对于钛酸锶如何对单层铁硒进行掺杂以及电子-声子耦合为何得到增强说法不一，缺乏判定性的实验。

在铁硒-钛酸锶体系中关于如何实现从钛酸锶衬底到单层铁硒膜的电荷转移是一个重要研究问题。此前，人们猜测是通过钛酸锶中大量的氧空位来实现的。然而，薛其坤教授带领团队近期发现，衬底中氧空位浓度的变化对超导能隙的调节作用十分有限，表明电荷转移另有其因。该研究成果以《锐钛矿型二氧化钛上单层铁硒的高温超导》（High-temperature superconductivity in single-unit-cell FeSe films on anatase TiO2(001)）为题，发表于2016年8月5日的《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

在这项工作中，张定等利用紫外光电子能谱（UPS）发现钛酸锶的功函数比铁硒小。由此推断，两种材料结合时电子会向功函数大的一侧发生转移，直到能带弯曲在结区建立电场而达到平衡。通过X射线光电子能谱仪（XPS），他们定量分析了钛酸锶中不同元素的深能级在铁硒生长前后的移动，确实观察到了这个能带弯曲的存在（如图）。这表明，铁硒-钛酸锶作为一个异质结，在结区发生的能带弯曲是导致铁硒一侧电子浓度升高的主要原因。

铁硒-钛酸锶(FeSe/SrTiO3)体系的原子结构以及实验测定的能带弯曲的示意图。

在该工作中，研究组还首次观测到了样品由非超导态到超导态的演化过程中钛氧配对键（图中高亮轨道）相对钛氧非配对键的增强现象，这反映了衬底中声子传输在进入超导态时获得了改善。这一观测不仅为电声耦合的增强过程提供了直接实验证据，而且还指出电声耦合增强与铁硒中富余的硒的脱附直接相关。实验发现的电声耦合在进入超导态后持续增强表明它是在电荷转移基础上进一步提高超导转变温度的关键因素。此外，他们还发现了铁硒层中深能级的元素选择性关联作用，这为研究铁基超导中的关联作用提供了新的启示。

大连化物所博士张慧敏、清华大学物理系助理教授张定、大连化物所陆晓伟为文章共同第一作者，清华大学副研究员王立莉和中科院大连化物所研究员姜鹏、教授包信和为共同通讯作者，清华大学物理系研究员马旭村、教授薛其坤参与了该研究的设计和指导。

论文链接：

http://dx.doi.org/10.1038/s41467-017-00281-5

http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/29/3/037402

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.067001