杜洋教授團隊在Nature和Science子刊分別發表最新研究成果
原標題：杜洋教授團隊在Nature和Science子刊分別發表人體生物鐘調控和腎上腺素靶點的最新研究成果
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近日，香港中文大學（深圳）生命與健康科學學院、醫學院、科比爾卡創新藥物開發研究院杜洋教授團隊在國際一流科技期刊Nature Communication和Science Advances雜志上分別發表了最新研究成果。其中，杜洋教授團隊在Nature Communications雜志揭示人體生物鐘調控褪黑素受體的信號傳導機制，在Science子刊Science Advances揭示了人體腎上腺素受體藥物作用的分子機制，其科研成果將為相關疾病的治療與藥物開發帶來曙光。
以下為杜洋教授團隊在Nature和Science子刊分別發表的兩個具體研究成果：
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? ? ? ? 杜洋教授團隊在Science子刊Science Advances揭示人體腎上腺素受體藥物作用的分子機制
香港中文大學（深圳）生命與健康科學學院、醫學院、科比爾卡創新藥物開發研究院杜洋教授，柳正教授聯合德國埃朗根-紐倫堡大學國際著名藥理學家Peter Gmeiner教授研究團隊以及前清華大學醫學院袁道鵬博士，在國際一流科技期刊Science Advances雜志（IF=14.136）發表了最新的研究成果：“Structural insights into ligand recognition, activation, and signaling of the α2A adrenergic receptor”。香港中文大學（深圳）杜洋教授、柳正教授及紐倫堡大學Peter Gmeiner教授為本文共同通訊作者。香港中文大學（深圳）生命與健康科學學院、科比爾卡創新藥物開發研究院研究助理徐?。ìF美國斯坦福大學Brian Kobilka教授實驗室博士后）和研究助理曹昇為論文共同第一作者，香港中文大學（深圳）為第一單位。該研究采用冷凍電鏡技術首次解析了α2A-GoA復合體分別結合咪唑啉類(imidazoline derivatives)激動劑（溴莫尼定Brimonidine、右美托咪啶Dexmedetomidine和羥間唑啉Oxymetazoline），以及結合內源性荷爾蒙去甲腎上腺素（norepinephrine）的三維結構。
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人體超級能量激素-腎上腺素生理功能
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腎上腺素能受體（Adrenergic receptor）是一種受內源性兒茶酚胺（腎上腺素，去甲腎上腺素）激活，介導生理活動的G蛋白偶聯受體（G-protein coupled receptor, GPCR）【1，2】。在哺乳動物中，腎上腺素能受體共有9個成員，分為三類：α1（α1A, α1B和α1D）類受體，α2（α2A, α2B和α2C）類受體，和β（β1，β2，β3）類受體【2，3】，其中α2類受體能夠調節一系列生理功能，包括心率、血壓、血糖調節、胰島素穩態和鎮痛作用，同時介導去甲腎上腺素能神經末端突觸前膜神經遞質釋放的反饋抑制【4-6】。α2類受體主要與Gi/o偶聯抑制環磷酸腺苷(CAMP)的產生【4，7】，也有證據表明其能和Gs偶聯【7-10】，同時該類受體也可通過激動劑相關的GRK（G 蛋白偶聯受體激酶）磷酸化作用和β抑制蛋白偶聯，實現受體內化和獨立于G蛋白的信號傳導【11-13】。過去的幾十年里，科學家開發了很多α2類受體的激動劑，其中部分被用于麻醉、痛覺管理和高血壓治療【14，15】。但是相比于藥物作用的分子基礎被充分研究的β類受體【16-21】，α2類受體藥物作用和激活機理的結構基礎尚不明確。α2類受體和不同激動劑結合的結構研究將為G蛋白偶聯的特異性提供新視角，為新激動劑開發提供理論依據。
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alpha2AR腎上腺素受體與不同藥物結合的高分辨率結構
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本研究對腎上腺素能受體的配體識別、激活機理以及信號傳導選擇等都具有廣泛的影響，列舉如下：（1）揭示了α2AAR的正位結合口袋（orthosteric binding pocket，OBP）識別內源性荷爾蒙去甲腎上腺素及咪唑啉類激動劑的機制；（2）揭示了內源性荷爾蒙去甲腎上腺素對于α2類受體親和力高于β類受體的機理；（3）發現了在受體激活過程中重要的芳香性開關；（4）發現了和β類受體不同的、與激活相關的結構變化，但共有正構口袋和G蛋白偶聯區的變構機理；（5）提出了α2AAR對G蛋白、β抑制蛋白偶聯和選擇性的關鍵區域和殘基。值得一提的是，研究中使用的咪唑啉類激動劑，溴莫尼定、右美托咪啶和羥間唑啉均為上市藥物，分別用于治療開角型青光眼及高眼壓、鎮靜止痛和減輕炎癥所致的充血和水腫。其中羥間唑啉在對α2AAR殘基Y4096.55的突變實驗中，有別于其他兩個激動劑及去甲腎上腺素對于G蛋白、β抑制蛋白招募效能的降低，尤其展現出了更高的β抑制蛋白招募效能，表明該殘基在偏向信號傳導（biased signaling）中扮演復雜和重要的角色。無獨有偶，最近對于β2AR 6.55位置的結構功能研究和計算研究也表明該位置的殘基在調控偏向中的重要地位【20，22】。該發現為偏向藥物（biased drug）的分子機理研究和藥物開發提供了新的切入點。
綜上所述，該團隊利用單顆粒冷凍電鏡技術解析了腎上腺素能受體α2AAR與G蛋白的復合物結構，從而在原子層面上詳細闡釋了α2AAR的配體識別、別構調節及與G蛋白偶聯的機制，該項研究將促進基于α2AAR結構的藥物研究，為鎮痛藥物開發和高血壓治療帶來新的曙光。
? ? ? ? 原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj5347
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? ? ? ? 杜洋教授團隊在Nature Communications揭示人體生物鐘調控褪黑素受體的信號傳導機制
香港中文大學（深圳）生命與健康科學學院、醫學院、科比爾卡創新藥物開發研究院杜洋教授，柳正教授聯合中國科學技術大學陶余勇教授研究團隊，在國際一流科技期刊Nature Communication雜志（IF=14.919）發表了最新的研究成果：“Structural basis of the ligand binding and signaling mechanism of melatonin receptors”。香港中文大學（深圳）杜洋教授、柳正教授及中國科學技術大學陶余勇教授為本文共同通訊作者。香港中文大學（深圳）生命與健康科學學院、科比爾卡創新藥物開發研究院訪問博士生王慶功，香港中文大學（深圳）生命與健康科學學院、科比爾卡創新藥物開發研究院技術員盧秋遠為論文共同第一作者。該研究采用冷凍電鏡技術解析了MT1-Gi復合體分別結合激動劑2-碘褪黑激素（2-iodomelatonin）、雷美替胺(ramelteon)，以及MT2-Gi復合體結合ramelteon三維結構，并闡明了褪黑素和藥物的激活機制。
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人體生物鐘調節激素-褪黑素調控晝夜節律
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在脊椎動物中，褪黑素激素主要由松果體分泌，遵循晝夜節律的分泌模式。通過作用于褪黑激素受體 (MT)，在調節機體晝夜節律和維持穩定睡眠模式中發揮重要的作用(1, 2)。此外，越來越多研究表明褪黑素-MT信號通路的激活還可以調節其他生理過程，包括調節心血管系統和免疫系統(3, 4)。該信號通路激活在抑制癌癥、促進骨形成、調節糖代謝以及調劑神經退行性疾病中的作用也得到了證實(5-7)。褪黑素受體是一類既可以在中樞神經系統 (CNS)，又外周組織中表達的class A GPCR的亞家族。在人類中，MT 家族由兩個結構序列高度保守的成員組成，包括MT1 和 MT2受體，它們在整個序列和跨膜部分序列分別具有 55% 和 70%相似性。MT1 和 MT2 都主要通過與Gi/o 蛋白偶聯，從而抑制腺苷酸環化酶活性并降低細胞內 3',5'-環磷酸腺苷 (adenosine 3’,5’-cyclic monophosphate；cAMP) 的濃度，去發揮其重要的生理作用。盡管目前有報道MT1受體還可以結合下游Gq/11蛋白，但是目前關于與G 蛋白家族確切的偶聯譜仍不清楚。在人大腦中，MT1 主要在藍斑和下丘腦外側等重要神經功能區中表達于REM 區域）(8, 9)，參與調節睡眠中警覺狀態的快速眼動 (REM) 階段(10)；但 MT2 主要在網狀丘腦合成及分泌（NREM 區域）(8, 9)，可以選擇性地調節非快速眼動 (NREM) 睡眠階段(10, 11)，此外MT2還與 2 型糖尿病 (type-2 diabetes；T2D)形成相關。鑒于 MT1 和 MT2 的不同生理作用，獲得選擇性配體具有重要應用前景。然而，市場上或臨床評估中的大多數藥物，如雷美替昂, 他司美替昂和阿戈美拉汀，都是非選擇性的(12, 13)。因此，通過解析 MTs-配體結合口袋結構信息，對開發高效的選擇性激動劑藥物提供理論依據，具有重要研究價值。
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褪黑素受體與不同藥物結合的高分辨率結構
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本研究對褪黑素受體的配體識別、激活機理以及信號轉導選擇等都具有廣泛的影響，列舉如下：（1）發現了H5.46, N4.60, 及 Y5.38三個殘基位點在MT受體正位結合口袋（orthosteric binding pocket，OBP）識別激動劑配體中的起到重要作用；（2）揭示了MT1與MT2的OBP與激動劑結合狀態下結構差異及特征，通過信號轉導藥理學實驗和分子動力學模擬對該位點進行了驗證，為設計有效靶向小分子藥物的設計提供了理論基礎，具有重要意義；（3）通過與inactive狀態下比較，闡釋褪黑素受體激活機制，通過生理生化實驗進一步驗證關鍵的殘基位點。（4）解析了MT1與MT2在激動劑激活狀態下結構上的差異, 提出了MT受體對Gi蛋白偶聯和選擇性的關鍵殘基，進一步分析與下游G蛋白結合位點，發現第二個胞內環(ICL2)構象具有明顯差異，這初步解釋MT1受體可以結合下游Gq/11蛋白，而MT2受體不能結合的原因。為GPCR選擇性激活下游不同G蛋白的機制提供理論基礎。
綜上所述，該團隊利用單顆粒冷凍電鏡技術解析了褪黑素受體MT1及MT2與G蛋白的復合物結構，從而在原子層面上詳細闡釋了褪黑素受體的配體識別、別構調節及與G蛋白偶聯的機制，該項研究將為失眠癥、情緒障礙和癌癥等疾病的高選擇性藥物開發和治療帶來新的曙光。
? ? ? ? 原文鏈接：?
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教授簡介
杜洋
生命與健康科學學院、醫學院助理教授
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? ? ? ? 教育背景
? ? ? ? 博士（中國科學技術大學）
? ? ? ? 學士 （中南大學）
? ? ? ? 研究領域
G蛋白偶聯受體、受體生物學、信號轉導、結構藥理學、基于結構的藥物設計
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杜洋教授現為香港中文大學（深圳）生命與健康科學學院、醫學院助理教授，博士生導師，校長學者，教育部青年，廣東省珠江青年拔尖人才。他還是香港中文大學（深圳）科比爾卡創新藥物開發研究院責任研究員，領導團隊從事GPCR的轉化研究和新藥開發工作。
杜洋教授在2011年于中國科學技術大學取得博士學位。之后赴美國斯坦福大學醫學院，師從2012年諾貝爾化學獎得主Brian Kobilka教授從事G蛋白偶聯受體（GPCR）相關的博士后研究工作。2016年提升為斯坦福醫學中心固定職位的研究科學家。期間獲美國心臟協會全額博士后獎學金、斯坦福心血管研究所資助和密歇根大學安娜堡醫學院藥學系tenure-track助理教授職位等。
主要研究方向是以重要藥物靶點GPCR為對象，從事其與下游信號分子復合物的結構、功能和藥物發現工作。迄今已發表50多篇高質量SCI論文，包括以第一或通訊作者（含共同）在Cell、Sci. Adv.、JACS、Nature Comm.、Cell Res.等國際一流期刊報道的一系列科研成果，作為無成癮止痛藥開發的美國專利共同發明人。并受邀為Science、Nature Comm.等多種國際頂尖科學雜志審稿，同時是國自然交叉科學部和教育部項目評閱人。
