彭瑶 人物 | 有颜有才华！上科大85后美女博士两年半攻下《CELL》

前言

上海科技大学人类研究所在人类细胞信号转导研究领域又有重大突破。该团队率先分析了与肥胖和精神疾病密切相关的靶标人类5-羟色胺2C受体(5-HT2C)的三维精细结构，揭示了人类细胞信号转导的重要成员G蛋白偶联受体(GPCR)家族的多种药理的分子机制。北京时间2月2日，这一成果在国际顶级学术期刊《细胞》上在线发表。

由上海科技大学和中国科学院生物物理研究所联合培养的博士生姚鹏是该论文的第一作者，伊赫曼研究所执行主任刘志杰教授、特聘教授、创始主任雷蒙德·斯蒂文斯(Raymond Stevens)和北卡罗来纳大学布莱恩·罗斯(Bryan Roth)教授是该论文的合著者，上海科技大学是第一个完成单位。

记者接到消息后，第一时间赶到了科技大学。当这份报纸的第一作者姚鹏出现时，记者不禁惊呼:我太棒了！

2016年11月8日下午6点，位于日本兵库县的大型同步加速器SPring-8的强X射线场中，姚鹏有点紧张，不记得来过多少次了。

▲论文第一作者姚鹏清新脱俗，有着自己的学术光芒

之前的激光照射失败。

滴答，时间被等待冲淡了。当电脑屏幕终于传回清晰的蛋白质结构数据时，姚鹏回头一看，他身后的导师刘志杰忍不住流下了两行清泪。

“就像厨师做饭一样，配菜都做好了，剩下的就好办了。”姚鹏说。

神秘细胞信号战士

在选择博士论文的题目时，姚鹏把题目定为“肥胖”。

从生物学的角度来看，人之所以胖，之所以瘦，是因为细胞在作怪。人体细胞表面分布着许多G蛋白偶联受体(GPCR)，充当细胞“信号兵”。这些“信号员”负责细胞间的信息交流，进而广泛参与人体生理或病理状态的调节。“G蛋白偶联受体就像一个口袋，功能性小分子配体就像一粒豆子。当这些豆子落入口袋，就像是触发了器官，而‘信号兵’立刻开始工作，传递信息。在牢房里。”姚鹏解释说，配体的性质决定了受体的状态:激活配体(激动剂)激活受体，而抑制配体(拮抗剂)抑制受体的活性。

人体内有826种被证实的G蛋白偶联受体，与人们的日常生活息息相关——眼睛能看到明亮的阳光，鼻子能闻到花香，舌头能尝到食物的酸甜苦辣，等等。具有调节肥胖功能的受体是5-羟色胺2C受体。“血清素2C受体负责调节许多重要的生理和心理状态，如情绪、食欲、睡眠、疼痛、成瘾和记忆。”姚鹏说。

受体失调会导致疾病。但是为什么这些感受器会跑调呢？如何调控紊乱？由于这些受体紧密附着在细胞膜上，而且体积很小，很难弄清它们的机制。就像盖房子需要建筑结构图一样，要知道“通信兵”的“秘密通道”，首先要“画”出他们的内部结构图。

在国际上，对G蛋白偶联受体的“绘画”竞争正在开始。在人体内的826个G蛋白偶联受体中，只有大约50个GPCR新结构被解析。其中只有两种血清素受体结构被解析，都是兴奋性的。

如果能在同一天实现激活和拮抗两种不同状态的受体结构，将是一个突破。

纠结与迷茫，一张蛋白质“3D照片”背后

“做科研只是第一，不是第二。”导师刘志杰说:“但我从不强迫我的学生。希望他们能对自己的使命和信仰有自我驱动和自我激励。”

▲上海科技大学人类研究所成员，组长为姚鹏，第一位是人类研究所执行主任刘志杰，第二位是人类研究所创始主任、特聘教授雷·斯蒂文斯

在接受记者采访时，姚鹏礼貌地化了一些淡妆，头发高高的，看起来很有能力，也很有活力。但说起她两年半，她笑着说:“那时候绝对不修边幅。我每天蹲在实验室里，只想着怎么实现。”

为了获得大量有效的血清素受体用于研究，姚鹏的首要工作是克隆。“如果拿人类的蛋白质做研究，是不符合伦理的，而且数量有限。我们只能利用克隆技术在昆虫细胞上表达受体，然后通过工程手段提取蛋白质，从而进行下一步。”姚鹏说。

但是过程远没有三言两语描述的那么简单易行。就克隆技术而言，昆虫细胞本身是如何应对外来细胞的“抗议”的？如何保证目标蛋白的存活率和生长质量？克隆成功后，如何从昆虫细胞的数千个蛋白质细胞中纯化目标蛋白？并将其结晶形成完美的结构序列？

在整个过程中，研究团队尝试了200多个克隆构建、多种蛋白表达系统和纯化条件、结晶优化和实验数据收集，最终得到了在日本贵县看到的漂亮的结构数据，同时分析了激动剂和拮抗剂结合两种不同状态的受体结构。

“克隆的时候，我们欺骗昆虫细胞，把目标基因藏在病毒里，让病毒感染昆虫细胞，让病毒像‘特洛伊木马’一样，把我们的目标基因带入昆虫体内。”姚鹏说，每次克隆将持续1-2个月，一旦失败，就需要重新开始。

在此期间，姚鹏不得不推迟她的博士毕业。面对未知，她直言:很迷茫，压力很大。

这种工程研究项目很难由单个个人或研究小组独立完成。事实上，丹麦哥本哈根大学的大卫·格洛里厄姆(David E. Gloriam)负责结构信息分析，伊赫曼研究所的赵·苏文负责计算生物学，程建军负责药物化学分析。HKUST人类研究所的基因克隆平台、真核表达平台、蛋白质纯化平台和功能研究平台的工作人员为本研究提供了强有力的技术支持。“在这里，你可以在5米内找到你需要的伴侣。”姚鹏说。

“一举两得”，药物研发已经上路

“受体与这两种配体结合后的三维结构，可以说是这种受体的‘动、静两面’。对于不同的GPCR，激动剂或拮抗剂配体具有不同的药物开发价值姚鹏指着一张蛋白质地图，眼里充满了兴奋。“这是血清素2C受体在两种不同状态下的三维结构图，橙色被激活，绿色被抑制。”

▲A:血清素2C受体两种不同状态的三维结构图，橙色被激活，绿色被抑制。

b:细胞膜外差异C:细胞膜内差异

这也是世界上首次获得拮抗血清素受体的三维结构。

文章的发表只是开始，还有更长的药物开发之路等着整个课题组。

据悉，GPCR是药品研发领域的“宠儿”，市场上销售的药品有40%以上是针对GPCR的。目前市场上已有针对血清素2C受体的药物投放，如毒死蜱(商品名:裴丽婷)是美国FDA批准的减肥药物。同时，血清素2C受体也是抑郁症、精神分裂症、药物成瘾等精神疾病的潜在药物靶点。

但基于5-羟色胺2C受体的药物研发并不顺利，很多疗效较好的小分子药物都因脱靶效应而产生不同程度的副作用。主要原因是血清素受体家族成员之间的相似性非常高，导致药物无法准确识别其靶点。这种现象经常出现在其他靶向药物中，成为药物研发的痛点。

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“在为GPCR设计药物时，我们需要根据实际情况采取不同的策略:一种方案是使药物具有高度选择性，即一种药物只作用于一个靶点(“一石一鸟”)，这有助于避免药物的副作用。这也是传统药物设计采用的方案；另一种是使药物具有多重药理作用，即一种药物作用于多个所需靶点(“一石数鸟”)，在巧妙避开副作用靶点的同时，提高药物治疗复杂疾病的疗效。”刘志杰教授说，通过获得血清素2C受体和两种不同药物分子组合的“3D照片”(即精细的三维结构)，研究小组首次揭示了激动剂具有多种药理特性(“一举两得”)和拮抗剂具有高选择性(“一举两得”)的分子机制。为针对不同需求设计更准确的靶向药物提供了理论依据。

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“通过分析两种不同配体的晶体结构和药理作用，我们提出了为G蛋白偶联受体结构设计多种药理药物的思路。我相信这一尝试对未来的药物研发会有很好的启发。”刘志杰教授说。

“我们对G蛋白偶联受体多种药理的分子机制的认识还处于起步阶段，在针对复杂重大疾病设计多种药理药物的过程中，还有很多难题有待解决。希望研究团队的努力能促进人们对GPCR多种药理机制的深入了解，设计出更神奇的多靶点药物来缓解患者的痛苦。该研究所的另一位教授雷·史蒂文斯总结道:“这将为新一代G蛋白偶联受体药物的设计绘制更清晰的路线图。"

据报道，刘志杰教授和雷·斯蒂文斯教授领导的研究小组在过去两年中对几个重要的GPCR的结构和功能研究取得了突破。他们关于大麻素受体CB1的系列研究结果于2016年10月发表。2017年7月的《细胞与自然》，以及与糖尿病相关的靶点GLP1的研究结果，发表在2017年5月的《自然》杂志上

未来，刘志杰教授表示，他的下一个目标是“建立多模态、跨尺度的生物成像”，可以从分子、原子、细胞、器官等多个维度理解生命，进而解释并造福生命。

本文来源:柯路