澳洲蒙纳士大学学者助力研发新一代胰淀素

澳洲蒙纳士大学学者助力研发新一代胰淀素

• 2022-11-30
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澳洲蒙纳士大学学者助力研发新一代胰淀素

莫纳什大学(Monash University)，也称为蒙纳士大学。世界百强名校，是澳洲八大名校的盟校成员。于1958年由国会建立，是维多利亚州的第二所古老的大学，为纪念杰出的澳大利亚军人、学者兼工程师约翰·莫纳什爵士，大学以其姓氏命名。

如果你尝试过减肥，应该也听说过饭前喝水增加饱腹感，以避免摄入更多能量的做法。那么人体的饱腹感又是从何而来呢？

这就要从胰淀素和它的受体蛋白的发现说起。1986年，科学家发现了胰淀素的存在，借此人们发现当我们进食时，胰岛便开始分泌胰岛素和胰淀素。前者可帮助迅速控制血糖，而胰淀素则与脑部分布的胰淀素受体结合，产生饱足感信号。收到信号后，我们就会停止进食，借此可避免过度饮食造成的代谢性疾病。

利用这一人体自身能量平衡的天然机制，2005年，胰淀素的衍生多肽——普兰林肽作为糖尿病患者的血糖控制药物顺利上市并沿用至今。后续研究更是揭示了胰淀素信号通路具备开发减重疗法的巨大潜力。由此，胰淀素及其受体的研究，吸引了多家药物公司，他们希望开发出减重和肥胖症治疗领域的新疗法。

如何实现只减脂肪、不减肌肉的优异减重效果？

1998至1999年，胰淀素受体的独特组成得到首次阐明，它本身是由一个降钙素受体和一种受体活性调节蛋白结合而形成的异源二聚体。降钙素受体本身并不会影响人体代谢，当被降钙素多肽激活，则会产生调节血液中钙的浓度的生理信号，促使血钙向骨骼沉积。

但是，一旦它和受体活性蛋白相结合，便不再响应降钙素多肽，而是去响应胰淀素多肽，进而形成相应的胰淀素受体。最新研究表明，如果人工改造出一种多肽，让它同时激活降钙素受体和胰淀素受体，就能更好地刺激基础代谢，增加能量消耗，实现只减脂肪、不减肌肉的优异减重效果。

但是，由于这两种受体并没有蛋白结构信息，因此相关药物研发只能集中于对天然多肽进行突变。然而，降钙素多肽和胰淀素多肽的天然序列不同，甚至连长度都不一样。如果想人工制造一种混合型的多肽，并让它同时能刺激两个受体，那么必须面对的问题是：到底以哪种天然多肽作为基础模板？

在此前研究中人们发现，大马哈鱼降钙素和人体降钙素的差异在于：大马哈鱼降钙素能同时激活人体内的降钙素受体和胰淀素受体。所以，最早十多年的研究均以大马哈鱼的降钙素为模板进行突变改造，其具备32个氨基酸长度。这些研究在药理和动物模型均取得了有效成果，并进入临床实验阶段。

但是，当进行人体实验时，实际效果却并不理想。最近几年，有药物公司尝试从胰淀素多肽模板出发。其中，国际生物制药公司诺和诺德研发的卡格列肽，取得了令人惊喜的临床实验结果。但在实际药物研发中，还面临着一个无法回避的困难。当建立药理学分析实验时，由于胰淀素受体组成的特殊性，降钙素受体会同时存在于体系中，并且无法排除降钙素受体所产生的信号，这使得相应药物表征十分困难。这种情况下，如果掌握可视化的蛋白结构信息，则对药物研发具有重大意义。但是，在结构生物学方面，这两种受体也长期存在结构难以表征的问题。

两种受体其本身属于G蛋白偶联受体，是药物研发领域的一类重要靶点，现存上市药物中的30%均作用于G蛋白偶联受体。但是，G蛋白偶联受体的结构学研究，常年处于艰难状态。根本原因在于，G蛋白偶联受体本身的蛋白分子量特别小，却又特别动态化。这让传统蛋白结晶学很难实现有效的晶体生长，除非对受体进行基因改造，并引入大量热力学稳定修饰，而这种人工修饰则会让天然结构失真。

直到2017年，这一困境才得到解决。凭借冷冻透射电镜技术的飞速发展，澳大利亚莫纳什大学药物科学研究所博士生曹剑骏，其所在的Wootten/Sexton课题组首次实现冷冻透射电镜解析G蛋白偶联受体结构。得益于这一技术突破，曹剑骏读博期间的研究课题由此开展。由于传统药理学工具无法完全区分降钙素受体和胰淀素受体的信号，而新兴的冷冻电镜技术恰好能完整表征两类受体的结构特征，借此即可弥补这一信息缺口。

同时他表示，构成胰淀素受体的受体活性调节蛋白家族总共有三个亚型，并分别和降钙素受体结合，从而形成三种亚型的胰淀素受体。对于不同多肽的响应，这三种胰淀素受体存在一定差异，而这种差异很难通过传统的药理学实验来解释。

曹剑骏最近发表的一作Science论文《胰淀素受体表型的结构基础》（A structural basis for amylin receptor phenotype），其中的结构数据特别丰富，论文中总计有十个结构：分别罗列了四种受体（降钙素受体和三种亚型的胰淀素受体）与三种天然多肽（人降钙素，大马哈鱼降钙素，鼠胰淀素）相互结合的模式。

通过分析这种不同交叉组合的结合模式，大量结构学信息得以被呈现，借此可以解释这两种多肽分别和相对应的受体、以及非对应的受体结合时的不同机制。

他表示，“这是人们第一次直观地认识到这种不同，而这种认识是之前通过其他手段没有办法实现的。审稿人觉得我们的研究非常系统，可给将来的药物研发提供非常详细的信息。”

尽管在2017年，该课题组第一次突破性实现了冷冻电镜技术对G蛋白偶联受体的结构解析。但是由于胰淀素受体特殊的异源二聚体组成，造成蛋白表达和纯化过程更为困难和复杂。这一问题在2018年，由该团队的Yi-Lynn Liang博士在胰淀素受体的同源类似蛋白，CGRP受体的研究中得到解决和完善。2018年，曹剑骏适逢加入该课题组，开始博士学习和研究。

在他入学后，上述课题正式立项。随后爆发的全球新冠疫情，给科研实操带来了困难。在课题前期，组里的电镜设备尚未优化完毕。于是，他们将样品寄到东京，由长期合作方东京大学医学研究生院拉多斯汀·达涅夫（Radostin Danev）教授进行冷冻电镜成像，再将数据返回墨尔本进行结构学解析比对，最终对结构学特征和药理学联系进行阐述。通过这样国际长距离往返作业，研究主体的六个结构得以解析完毕。

曹剑骏说：“结构解析得到了莫纳什大学超算中心的支持。寻找过程中我们发现，必须将更多结构信息纳入到体系中，从而让体系更完整周延。而在课题进展后期，位于墨尔本的Bio21的ARC膜蛋白冷冻电镜中心已然完备。那时，设备条件已经比较完善，我们就地进行了四个结构的补充拍摄，最后实现了十个结构的完全解析。”

澳洲蒙纳士大学学者助力研发新一代胰淀素

实现专一针对脂肪组织的减重作用

相关的临床应用场景，已经近在眼前。虽然药物公司并没有结构学信息，但他们也在基于多肽序列进行相关探索。2020年，诺和诺德公司开发的卡格列肽就是基于胰淀素多肽的37个氨基酸序列模板得以实现的。

基于临床一期和临床二期的研究，相关团队已经在《柳叶刀》发了两篇论文，这些研究证明了基于胰淀素多肽的衍生人工多肽可以同时激活降钙素受体和胰淀素受体，从而实现肥胖症患者的有效减重。另外，这种减重作用专一针对脂肪组织的，因此不会减少肌肉重量。

曹剑骏估计，上述多肽应该已经在临床三期的人体实验当中，而这仅仅是药物公司在未得到结构学信息的前提下，做出的一些初步尝试。他所在课题组及其主持的ARC膜蛋白冷冻电镜中心与十余家药物研发企业达成长期合作。

他说：“基于我们的结构和药企之前的探索，最终所生成的结果让他们非常振奋。我们的现在发表的论文，虽然仅是内源的天然多肽，但也提供了大量结构信息供药企参考。如果可以基于结构进一步优化，很快就能进入临床实验阶段。”

同时，如果这些药物研发公司缺乏结构学信息，则不知该如何优化多肽序列，无法实现更好的治疗效果，也就无法继续说服潜在投资者。而有了曹剑骏所在课题组的结构学信息，这些公司便得到了进一步优化的方向。预计将来会有更多基于胰淀素受体模板的人工多肽出现，这些人工多肽能同时激活两种受体信号并实现减重功能。预计类似药物将会不断进入临床实验，直到最后被获批使用。

在中山大学担任一年实验室助理后，来到澳洲读博

据介绍，曹剑骏的两位主要导师，分别是莫纳什大学药物科学研究所丹尼斯·伍滕（Denise Wootten）教授和帕特里克·塞克斯顿（Patrick Sexton）教授所主持的实验室，长年致力于并且对G蛋白偶联受体的研究。

在该实验室学习期间，马修·贝鲁索夫（Matthew Belousoff）博士十分精通蛋白结晶学和冷冻电镜技术，曾教过曹剑骏使用冷冻透射电镜解析蛋白结构。连依琳（Yi-Lynn Liang）博士则直接传授他相关蛋白表达和纯化方法，2017年，随着当时课题组的成果公布，她也成为当时世界首个G蛋白冷冻电镜结构的解析者。

曹剑骏说：“Yi-Lynn Liang是我的一个很重要的技术导师，在疫情前给了我很多帮助。后来，她转职去了工业界，但也将相应方法技术全部传授给我。2019年底，新冠疫情爆发，各国边境突发管制。我当时身处中国，Patrick和Denise得到消息第一时间资助我紧急在泰国隔离14天，最后成功入境澳洲，接续完成了这个项目，要不我可能就要去面对退学之类的情况。而在疫情初期的长期居家封城过程中，Matt和我每天进行线上会议，远程手把手教我处理和解析数据。如果没有这四位分别在各自领域的专家的培养，我一个人是完全无法完成这样的研究工作的。我经常戏称我拥有一个导师‘梦之队’。”

据介绍，曹剑骏是安徽省马鞍山市人，出生于1991年。本科在中山大学化学专业学习，之后加入中山大学化学学院毛宗万教授的实验室，硕导分别是毛宗万教授、中国科院院士&中山大学化学与化学工程学院教授计亮年、和该院副教授谭彩萍。硕士阶段，曹剑骏主要从事过渡金属配合物在抗肿瘤治疗方向的研究。毕业后，在毛宗万实验室担任为期一年的实验室助理，硕士期间累计发表11篇论文，这也使曹剑骏的研究兴趣从化学延伸到生医方向。

他说：“在硕士论文发表过程中，审稿人经常问到药物作用的分子学机制的问题，所以当时我个人觉得研究方向应该是更基础的药物和药物靶点之间的分子学机制，也就是结构生物学。之后，我就开始寻找合适的导师，并有幸加入现在的课题组。我现在攻读的是药理学博士学位，今年将会毕业，暂定继续在当前课题组做博后研究。”

莫纳什在墨尔本有七个校区，每个校区皆各具特色。莫纳什大学在校学生数达63002人，其中国际学生占比35%。莫纳什大学由十个院系组成，其中包括:商业与经济，工程，信息技术， 医学，护理和保健，艺术和设计，科学，法律， 教育，人文等。以上十个院系均设有本科，硕士及博士生课程。

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