G蛋白偶联受体是人体内细胞膜中最大的一类超家族膜蛋白，约有800多种G蛋白偶联受体是细胞感知外界信号的重要途径，气味、光、激素、细胞因子、神经递质等都可以是作用于G蛋白偶联受体的配体。被激活的G蛋白偶联受体通过与下游不同的G蛋白偶联并传导激活不同的信号途径，引起不同的生物学反应过程。正因为G蛋白偶联受体参与了众多的生物学反应，所以G蛋白偶联受体也成为了重要的药物靶点。目前，临床上接近40%以上的西药都是作用于G蛋白偶联受体；另外还有很多作用于G蛋白偶联受体的新药物处于不同的临床测试阶段。G蛋白偶联受体在氨基酸序列和三维结构上具有高度保守性，其都是由7根疏水性的跨膜螺旋组成螺旋簇构象。即使不同的G蛋白偶联受体具有相似的三维结构，不同配体与受体相互作用的方式也是有差异性的。为了降低药物的副作用，增强小分子药物作用于G蛋白偶联受体的特异性成为新药研发的一个很重要的环节。基于精准的原子分辨率三维结构信息，筛选新药或者优化改造现有的药物已经成为研发新药的一种重要手段。王宏伟教授研究组主要从事冷冻电镜高分辨率三维结构解析方法的开发与应用。他们将这些技术手段应用在G蛋白偶联受体的生物学作用机制的研究中，最近取得多项研究成果。
a2BAR-Go 蛋白复合物的冷冻电镜结构
通过与美国斯坦福大学Brian Kobilka教授课题组合作，王宏伟教授课题组首次解析了α2B肾上腺素受体分别结合Gi和Go蛋白的复合物高分辨率三维结构，分辨率分别为3.9埃和在2.8埃。这两个复合物中α2B肾上腺素受体结合了右美托咪定这个小药物分子，右美托咪定作为激动剂激活α2B肾上腺素受体，引起受体活化，活化后的受体进一步偶联到下游的Gi或者Go蛋白并引起下游的信号传导反应。该小分子对α2B肾上腺素受体具有很好的亲和力。右美托咪定作为镇定剂、镇痛剂在临床上的到广泛使用；然而，右美托咪定仍然具有副作用，其中很可能是因为，右美托咪定除了作用于α2B肾上腺素受体，还作用于别的受体，例如咪唑受体。王宏伟与Kobilka组解析的冷冻电镜结构与目前所有已报道的G蛋白偶联受体冷冻电镜结构相比，靶点药物分子右美托咪定的分子量最小，电镜密度质量最好，分辨率最高。德国Peter Gmeiner研究组基于这个结构对右美托咪定与G蛋白偶联受体的相互作用进行了分子动力学模拟分析， 进一步解释α2B受体的激活机制。这样高分辨率的冷冻电镜三维结构，对优化小分子药物，从而增强小分子药物作用于α2B肾上腺素受体的特异性具有重要的指导意义。该成果3月10日在国际期刊《Nature Chemical Biology》上发表，清华大学医学院袁道鹏博士、生命学院刘忠民博士、德国弗里德里希亚历山大大学的Jonas Kaindl博士为论文的共同第一作者；斯坦福大学Brian Kobilka教授、结构生物学高精尖创新中心王宏伟教授、德国弗里德里希亚历山大大学Peter Gmeiner教授为共同通讯作者，清华大学为第一完成单位。
Cryo-EM structures of PACAP38-PAC1R-Gs and
maxadilan-PAC1R-Gs
最近，王宏伟课题组与全球最大生物制药企业之一“安进公司”（Amgen）合作解析了另一种G蛋白耦联受体PAC1受体复合物的高分辨率冷冻电镜三维结构，于2月10日在线发表于著名国际期刊Cell Research上。垂体腺苷酸环化酶激活多肽I型受体(PAC1R)属于分泌素受体家族，广泛分布于中枢神经系统和神经末梢。PAC1R的异常激活会介导与偏头痛高度相关的三叉神经血管激活和敏化作用，这使得PAC1R成为潜在的治疗靶点。PAC1R的活性由垂体腺苷酸环化酶激活多肽(PACAP)和maxadilan控制，PACAP是一种主要的血管舒张神经多肽，而maxadilan是一种来自沙蝇的天然肽，它也能以类似的效力激活受体。这些多肽具有不同的序列，但是都能够激活PAC1R，因此解析它们与PAC1R受体所形成的复合物的结构对于理解配体识别和受体活性调控的机制具有重要意义。在王宏伟课题组与安进合作发表的这项工作中，他们解析了PACAP38和maxadilan分别激活的PAC1R的两个近原子分辨率的冷冻电镜结构，从结构上解释了两种不同配体激活PAC1R的不同方式。同时文章中也阐明了PAC1R识别和结合配体的特异性与灵活性机制，为靶向PAC1R的治疗分子设计提供了新的思路。该项工作为实现基础研究科研实验室与生物医药企业之间的横向合作，为缩短从基础科研成果到医药转化的过程提供了新的机会。该成果于2月10在《Cell Research》上发表，生命学院的王家博士、安进公司的宋先强博士为论文的共同第一作者；结构生物学高精尖创新中心王宏伟教授、安进公司马英丽博士为共同通讯作者。
以上两个重要的药物靶点G蛋白偶联受体与配体结合复合物结构的解析也展示了高分辨率冷冻电镜结构解析在新药研发中将日益发挥越来越重要的作用。
