图片显示抗HIV药物马拉维若通过与CCR5结合将其锁定在非活性状态，从而抵制HIV侵染人体细胞。（吴蓓丽研究组供图）
本报记者 白毅
中国科学院上海药物研究所和美国Scripps研究所的科学家组成的研究团队，成功解析了CCR5蛋白质分子的高分辨率三维结构，并据此揭示了抗艾滋病病毒（HIV）感染的药物马拉维若作用于该受体分子进而阻断病毒入侵的分子机制。相关研究成果9月份发表在国际权威杂志《科学》（《Science》）上。“这些结构信息将帮助我们更加准确地理解HIV感染细胞的机制，并有助于研发出更为有效的抗HIV感染的新型药物。”该项研究的负责人、中国科学院上海药物研究所吴蓓丽研究员说。
近日，美国《科学》杂志-美国科学促进会（Science-AAAS）在中国科学院上海药物研究所召开新闻发布会介绍了该成果，这也是《科学》杂志-美国科学促进会第一次在上海召开新闻发布会。
重要的靶点
吴蓓丽介绍，HIV的危害众所周知，人体感染该病毒可能导致艾滋病的发生。自1981年美国发现首例艾滋病患者以来，艾滋病迅速发展成全球规模的流行病，已导致全球约3000万人死亡。
CCR5是一种位于细胞表面的受体蛋白质，作为HIV共受体之一，CCR5受体是新型抗HIV药物研发中最受关注的靶点之一。最初，人们认为HIV仅通过CD4受体的作用感染人体细胞。直到1996年，科学家才发现HIV感染还需要共受体（通常是CCR5）的共同作用。研究人员发现，某些特定的CCR5突变体能够显著地提高或降低人体被HIV感染的几率以及被感染后病情发展的速度。例如，约10%的欧洲人体内具有一种截短的CCR5突变体，该突变体无法在细胞表面表达，而携带这种突变体的人群对于HIV的感染几乎是完全免疫的。至此，CCR5在HIV感染中的重要作用才引起人们的重视。
为了阐明HIV侵入细胞的分子机制，科学家们进行了大量的研究，在结构生物学领域取得了多项突破，其中包括gp120与CD4复合物的结构解析。但是，由于共受体CCR5和CXCR4属于G蛋白偶联受体（GPCR）膜蛋白家族，其结构解析极具挑战性，因此其结构与功能关系一直未能被阐明。
科学家们希望从CCR5突破研发出抗HIV药物，即通过与CCR5的竞争性结合或使CCR5受体分子处于非活性状态而阻断HIV的入侵，目前已有少量此类抑制剂被研制成功，然而在此之前它们的作用机制仍无法弄清。“我们缺少的就是可用于精确药物设计的CCR5受体分子的高分辨率结构。”吴蓓丽说。
艰苦的探索
2007年，吴蓓丽博士加入美国Scripps研究所Stevens教授的研究组开展博士后研究工作，致力于HIV的两种共受体CCR5和CXCR4的结构生物学研究。她取得的重大研究成果——CXCR4的晶体结构于2010年发表在《科学》杂志上，这些工作为CCR5的结构测定奠定了基础。2011年，吴蓓丽加入中国科学院上海药物研究所组建了自己的研究团队，继续深入探索CCR5的三维结构。
由于GPCR蛋白表达难度大，获得足够量的用于结构研究的蛋白质样品非常困难。并且，由于GPCR蛋白构象不稳定，获得可用于Ｘ射线衍射的蛋白质晶体也极具挑战。与CXCR4相比，CCR5的结构解析需要克服更多的困难。凭借解析CXCR4结构的成功经验，吴蓓丽研究团队进行了大量的筛选和优化工作，利用一种新的融合蛋白稳定了CCR5蛋白的构象。同时，他们与上海药物所蒋华良、柳红和谢欣等3位研究员的研究组在计算机模拟、化合物合成和药理功能筛选等方面进行合作，最终获得了高质量的蛋白质晶体，成功解析了CCR5的三维结构。
与其他GPCR受体结构解析类似，吴蓓丽研究团队还利用一种可与CCR5特异性结合的化合物稳定其构象，这种化合物就是马拉维若。马拉维若于2007年获批上市，可抑制以CCR5为共受体的HIV侵染人体细胞。“我们认为马拉维若能够将CCR5的构象锁定在一种非活性状态，希望能够在高分辨率分子水平‘看’到这种构象。”吴蓓丽说。
重大的意义
吴蓓丽谈到，解析CCR5和CXCR4这两种共受体的三维结构，有助于我们深入理解HIV感染人体细胞的分子机制。人体内蛋白质的神奇之处在于，即使是极少数氨基酸的不同，也可能显著影响蛋白质结合区域的形状和分子识别能力。比较结果表明，HIV对于共受体的选择性可能是由CCR5和CXCR4这两种共受体的结构在形状及电荷分布等方面的细微差异造成的，这些特点对于抗HIV药物的研发具有重要意义。大多数种类的HIV在侵染人体细胞初期以CCR5为共受体，但是经过一段时间后，病毒共受体转化为CXCR4，使得人体中更多类型的细胞被感染，加剧了病毒在人体内的进一步扩散，加速了疾病的发展，最终导致艾滋病的发生和患者死亡。因此，利用此项研究成果比较CCR5结构与之前解析的CXCR4结构的异同，“可以为HIV感染机制研究提供重要线索，加速不同种类抗HIV药物的研发”。
此外，CCR5的结构揭示了药物马拉维若在受体分子中的精确结合位点。虽然该结合位点与公认的HIV结合位点不同，且与CCR5天然配体的作用区域也不相同，但药物分子仍可有效地抑制受体的功能。因此，马拉维若可能是通过间接机制抑制CCR5与HIV的结合，即不直接与病毒竞争结合CCR5，而是通过其与CCR5的结合改变CCR5的分子构象，使其处于HIV非敏感状态，从而实现阻断CCR5与病毒结合的功效。CCR5与配体的相互作用模式及CXCR4晶体结构信息，为研发抵抗不同类型HIV感染的新型药物打下了坚实的基础。
该项研究得到了中国科技部等部门与美国国立卫生研究院（NIH）的共同资助。NIH综合医学研究所的Peter Preusch博士评论说：“蛋白质三维结构信息可揭示蛋白质与药物分子的相互作用机制，并且有助于新型治疗药物的研发。这一研究成果揭示了马拉维若与抗HIV药物靶点CCR5的相互作用模式，可以帮助人们在分子水平理解该类药物的作用机理，有助于从生物学角度进一步研究HIV，并促进此类作用模式的靶向药物研究。”
目前，吴蓓丽研究团队正进一步深入研究，希望通过解析CCR5和CXCR4与HIV表面蛋白gp120以及CD4的复合物结构，为研究HIV感染机制提供更多信息。
上海药物所副所长蒋华良教授表示，CCR5结构解析之后，上海药物所已组织团队联合攻关，开展基于CCR5结构的药物设计、合成和新化合物筛选，目前已获得抗HIV活性更好的化合物，这也进一步说明了CCR5结构对于研发抗HIV药物的重要作用。
