有人說(shuō)，三分運(yùn)動(dòng)七分吃。日前，社交媒體上分享了“米飯的花樣吃法”，其中提到“七色糙米”的搭配：即黑米、紅米、玉米磣、燕麥仁、糙米、青稞、小麥仁。這些粗糧除了健康之外，飽腹感也更強(qiáng)。

如果你嘗試過(guò)減肥，應(yīng)該也聽(tīng)說(shuō)過(guò)飯前喝水增加飽腹感，以避免攝入更多能量的做法。那么，人體的飽腹感又是從何而來(lái)呢？

這就要從胰淀素和它的受體蛋白的發(fā)現(xiàn)說(shuō)起。1986年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了胰淀素的存在，借此人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)我們進(jìn)食時(shí)，胰島便開(kāi)始分泌胰島素和胰淀素。前者可幫助迅速控制血糖，而胰淀素則與腦部分布的胰淀素受體結(jié)合，產(chǎn)生飽足感信號(hào)。收到信號(hào)后，我們就會(huì)停止進(jìn)食，借此可避免過(guò)度飲食造成的代謝性疾病。

利用這一人體自身能量平衡的天然機(jī)制，2005年，胰淀素的衍生多肽——普蘭林肽作為糖尿病患者的血糖控制藥物順利上市并沿用至今。后續(xù)研究更是揭示了胰淀素信號(hào)通路具備開(kāi)發(fā)減重療法的巨大潛力。由此，胰淀素及其受體的研究，吸引了多家藥物公司，他們希望開(kāi)發(fā)出減重和肥胖癥治療領(lǐng)域的新療法。

如何實(shí)現(xiàn)只減脂肪、不減肌肉的優(yōu)異減重效果？

1998年～1999年，胰淀素受體的獨(dú)特組成得到首次闡明，它本身是由一個(gè)降鈣素受體和一種受體活性調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合而形成的異源二聚體。降鈣素受體本身并不會(huì)影響人體代謝，當(dāng)被降鈣素多肽激活，則會(huì)產(chǎn)生調(diào)節(jié)血液中鈣的濃度的生理信號(hào)，促使血鈣向骨骼沉積。

但是，一旦它和受體活性蛋白相結(jié)合，便不再響應(yīng)降鈣素多肽，而是去響應(yīng)胰淀素多肽，進(jìn)而形成相應(yīng)的胰淀素受體。最新研究表明，如果人工改造出一種多肽，讓它同時(shí)激活降鈣素受體和胰淀素受體，就能更好地刺激基礎(chǔ)代謝，增加能量消耗，實(shí)現(xiàn)只減脂肪、不減肌肉的優(yōu)異減重效果。

但是，由于這兩種受體并沒(méi)有蛋白結(jié)構(gòu)信息，因此相關(guān)藥物研發(fā)只能集中于對(duì)天然多肽進(jìn)行突變。然而，降鈣素多肽和胰淀素多肽的天然序列不同，甚至連長(zhǎng)度都不一樣。如果想人工制造一種混合型的多肽，并讓它同時(shí)能刺激兩個(gè)受體，那么必須面對(duì)的問(wèn)題是：到底以哪種天然多肽作為基礎(chǔ)模板？

在此前研究中人們發(fā)現(xiàn)，大馬哈魚降鈣素和人體降鈣素的差異在于：大馬哈魚降鈣素能同時(shí)激活人體內(nèi)的降鈣素受體和胰淀素受體。所以，最早十多年的研究均以大馬哈魚的降鈣素為模板進(jìn)行突變改造，其具備32個(gè)氨基酸長(zhǎng)度。這些研究在藥理和動(dòng)物模型均取得了有效成果，并進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)階段。

但是，當(dāng)進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)際效果卻并不理想。最近幾年，有藥物公司嘗試從胰淀素多肽模板出發(fā)。其中，國(guó)際生物制藥公司諾和諾德研發(fā)的卡格列肽，取得了令人驚喜的臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但在實(shí)際藥物研發(fā)中，還面臨著一個(gè)無(wú)法回避的困難。當(dāng)建立藥理學(xué)分析實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于胰淀素受體組成的特殊性，降鈣素受體會(huì)同時(shí)存在于體系中，并且無(wú)法排除降鈣素受體所產(chǎn)生的信號(hào)，這使得相應(yīng)藥物表征十分困難。這種情況下，如果掌握可視化的蛋白結(jié)構(gòu)信息，則對(duì)藥物研發(fā)具有重大意義。但是，在結(jié)構(gòu)生物學(xué)方面，這兩種受體也長(zhǎng)期存在結(jié)構(gòu)難以表征的問(wèn)題。

兩種受體其本身屬于G蛋白偶聯(lián)受體，是藥物研發(fā)領(lǐng)域的一類重要靶點(diǎn)，現(xiàn)存上市藥物中的30%均作用于G蛋白偶聯(lián)受體。但是，G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)學(xué)研究，常年處于艱難狀態(tài)。根本原因在于，G蛋白偶聯(lián)受體本身的蛋白分子量特別小，卻又特別動(dòng)態(tài)化。這讓傳統(tǒng)蛋白結(jié)晶學(xué)很難實(shí)現(xiàn)有效的晶體生長(zhǎng)，除非對(duì)受體進(jìn)行基因改造，并引入大量熱力學(xué)穩(wěn)定修飾，而這種人工修飾則會(huì)讓天然結(jié)構(gòu)失真。

直到2017年，這一困境才得到解決。憑借冷凍透射電鏡技術(shù)的飛速發(fā)展，澳大利亞莫納什大學(xué)藥物科學(xué)研究所博士生曹劍駿，其所在的Wootten/Sexton課題組首次實(shí)現(xiàn)冷凍透射電鏡解析G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)構(gòu)。得益于這一技術(shù)突破，曹劍駿讀博期間的研究課題由此開(kāi)展。由于傳統(tǒng)藥理學(xué)工具無(wú)法完全區(qū)分降鈣素受體和胰淀素受體的信號(hào)，而新興的冷凍電鏡技術(shù)恰好能完整表征兩類受體的結(jié)構(gòu)特征，借此即可彌補(bǔ)這一信息缺口。

同時(shí)他表示，構(gòu)成胰淀素受體的受體活性調(diào)節(jié)蛋白家族總共有三個(gè)亞型，并分別和降鈣素受體結(jié)合，從而形成三種亞型的胰淀素受體。對(duì)于不同多肽的響應(yīng)，這三種胰淀素受體存在一定差異，而這種差異很難通過(guò)傳統(tǒng)的藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)解釋。

曹劍駿最近發(fā)表的一作論文《胰淀素受體表型的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》，其中的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)特別豐富，論文中總計(jì)有十個(gè)結(jié)構(gòu)：分別羅列了四種受體（降鈣素受體和三種亞型的胰淀素受體）與三種天然多肽（人降鈣素，大馬哈魚降鈣素，鼠胰淀素）相互結(jié)合的模式。

通過(guò)分析這種不同交叉組合的結(jié)合模式，大量結(jié)構(gòu)學(xué)信息得以被呈現(xiàn)，借此可以解釋這兩種多肽分別和相對(duì)應(yīng)的受體、以及非對(duì)應(yīng)的受體結(jié)合時(shí)的不同機(jī)制。

他表示，“這是人們第一次直觀地認(rèn)識(shí)到這種不同，而這種認(rèn)識(shí)是之前通過(guò)其他手段沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)的。審稿人覺(jué)得我們的研究非常系統(tǒng)，可給將來(lái)的藥物研發(fā)提供非常詳細(xì)的信息。”

往返于東京-墨爾本的結(jié)構(gòu)解析

盡管在2017年，該課題組第一次突破性實(shí)現(xiàn)了冷凍電鏡技術(shù)對(duì)G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)解析。但是由于胰淀素受體特殊的異源二聚體組成，造成蛋白表達(dá)和純化過(guò)程更為困難和復(fù)雜。這一問(wèn)題在2018年，由該團(tuán)隊(duì)的Yi-Lynn Liang博士在胰淀素受體的同源類似蛋白，CGRP受體的研究中得到解決和完善。2018年，曹劍駿適逢加入該課題組，開(kāi)始博士學(xué)習(xí)和研究。

在他入學(xué)后，上述課題正式立項(xiàng)。隨后爆發(fā)的全球新冠疫情，給科研實(shí)操帶來(lái)了困難。在課題前期，組里的電鏡設(shè)備尚未優(yōu)化完畢。于是，他們將樣品寄到東京，由長(zhǎng)期合作方東京大學(xué)醫(yī)學(xué)研究生院拉多斯汀·達(dá)涅夫教授進(jìn)行冷凍電鏡成像，再將數(shù)據(jù)返回墨爾本進(jìn)行結(jié)構(gòu)學(xué)解析比對(duì)，最終對(duì)結(jié)構(gòu)學(xué)特征和藥理學(xué)聯(lián)系進(jìn)行闡述。通過(guò)這樣國(guó)際長(zhǎng)距離往返作業(yè)，研究主體的六個(gè)結(jié)構(gòu)得以解析完畢。

曹劍駿說(shuō)：“結(jié)構(gòu)解析得到了莫納什大學(xué)超算中心的支持。尋找過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，必須將更多結(jié)構(gòu)信息納入到體系中，從而讓體系更完整周延。而在課題進(jìn)展后期，位于墨爾本的Bio21的ARC膜蛋白冷凍電鏡中心已然完備。那時(shí)，設(shè)備條件已經(jīng)比較完善，我們就地進(jìn)行了四個(gè)結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充拍攝，最后實(shí)現(xiàn)了十個(gè)結(jié)構(gòu)的完全解析?！?/p>

實(shí)現(xiàn)專一針對(duì)脂肪組織的減重作用

相關(guān)的臨床應(yīng)用場(chǎng)景，已經(jīng)近在眼前。雖然藥物公司并沒(méi)有結(jié)構(gòu)學(xué)信息，但他們也在基于多肽序列進(jìn)行相關(guān)探索。2020年，諾和諾德公司開(kāi)發(fā)的卡格列肽就是基于胰淀素多肽的37個(gè)氨基酸序列模板得以實(shí)現(xiàn)的。

基于臨床一期和臨床二期的研究，相關(guān)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在《柳葉刀》發(fā)了兩篇論文，這些研究證明了基于胰淀素多肽的衍生人工多肽可以同時(shí)激活降鈣素受體和胰淀素受體，從而實(shí)現(xiàn)肥胖癥患者的有效減重。另外，這種減重作用專一針對(duì)脂肪組織的，因此不會(huì)減少肌肉重量。

曹劍駿估計(jì)，上述多肽應(yīng)該已經(jīng)在臨床三期的人體實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，而這僅僅是藥物公司在未得到結(jié)構(gòu)學(xué)信息的前提下，做出的一些初步嘗試。他所在課題組及其主持的ARC膜蛋白冷凍電鏡中心與十余家藥物研發(fā)企業(yè)達(dá)成長(zhǎng)期合作。

他說(shuō)：“基于我們的結(jié)構(gòu)和藥企之前的探索，最終所生成的結(jié)果讓他們非常振奮。我們現(xiàn)在發(fā)表的論文，雖然僅是內(nèi)源的天然多肽，但也提供了大量結(jié)構(gòu)信息供藥企參考。如果可以基于結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，很快就能進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)階段?！?/p>

同時(shí)，如果這些藥物研發(fā)公司缺乏結(jié)構(gòu)學(xué)信息，則不知該如何優(yōu)化多肽序列，無(wú)法實(shí)現(xiàn)更好的治療效果，也就無(wú)法繼續(xù)說(shuō)服潛在投資者。而有了曹劍駿所在課題組的結(jié)構(gòu)學(xué)信息，這些公司便得到了進(jìn)一步優(yōu)化的方向。預(yù)計(jì)將來(lái)會(huì)有更多基于胰淀素受體模板的人工多肽出現(xiàn)，這些人工多肽能同時(shí)激活兩種受體信號(hào)并實(shí)現(xiàn)減重功能。預(yù)計(jì)類似藥物將會(huì)不斷進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)，直到最后被獲批使用。

在中山大學(xué)擔(dān)任一年實(shí)驗(yàn)室助理后，來(lái)到澳洲讀博

據(jù)介紹，曹劍駿的兩位主要導(dǎo)師，分別是莫納什大學(xué)藥物科學(xué)研究所丹尼斯·伍滕教授和帕特里克·塞克斯頓教授所主持的實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)年致力于并且對(duì)G蛋白偶聯(lián)受體的研究。

在該實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)期間，馬修·貝魯索夫博士十分精通蛋白結(jié)晶學(xué)和冷凍電鏡技術(shù)，曾教過(guò)曹劍駿使用冷凍透射電鏡解析蛋白結(jié)構(gòu)。連依琳博士則直接傳授他相關(guān)蛋白表達(dá)和純化方法，2017年，隨著當(dāng)時(shí)課題組的成果公布，她也成為當(dāng)時(shí)世界首個(gè)G蛋白冷凍電鏡結(jié)構(gòu)的解析者。

曹劍駿

曹劍駿說(shuō)：“連依琳博士是我的一個(gè)很重要的技術(shù)導(dǎo)師，在疫情前給了我很多幫助。后來(lái)，她轉(zhuǎn)職去了工業(yè)界，但也將相應(yīng)方法技術(shù)全部傳授給我。2019年底，新冠疫情爆發(fā)，各國(guó)邊境突發(fā)管制。我當(dāng)時(shí)身處中國(guó)，Patrick和Denise得到消息第一時(shí)間資助我緊急在泰國(guó)隔離14天，最后成功入境澳洲，接續(xù)完成了這個(gè)項(xiàng)目，要不我可能就要去面對(duì)退學(xué)之類的情況。而在疫情初期的長(zhǎng)期居家封城過(guò)程中，Matt和我每天進(jìn)行線上會(huì)議，遠(yuǎn)程手把手教我處理和解析數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有這四位分別在各自領(lǐng)域的專家的培養(yǎng)，我一個(gè)人是完全無(wú)法完成這樣的研究工作的。我經(jīng)常戲稱我擁有一個(gè)導(dǎo)師‘夢(mèng)之隊(duì)’。”

據(jù)介紹，曹劍駿是安徽省馬鞍山市人，出生于1991年。本科在中山大學(xué)化學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)，之后加入中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院毛宗萬(wàn)教授的實(shí)驗(yàn)室，碩導(dǎo)分別是毛宗萬(wàn)教授、中國(guó)科院院士暨中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院教授計(jì)亮年、和該院副教授譚彩萍。碩士階段，曹劍駿主要從事過(guò)渡金屬配合物在抗腫瘤治療方向的研究。畢業(yè)后，在毛宗萬(wàn)實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任為期一年的實(shí)驗(yàn)室助理，碩士期間累計(jì)發(fā)表11篇論文，這也使曹劍駿的研究興趣從化學(xué)延伸到生物醫(yī)學(xué)方向。