来源：丁香学术
2024 年 12 月 9 日，西湖大学施一公院士团队与清华大学周瑞团队合作在Nature Structural & Molecular Biology杂志发表了题为 Structural basis of human γ-secretase inhibition by anticancer clinical compounds 的研究论文，揭示了五种抗癌临床化合物抑制人 γ 分泌酶的结构基础，为相关癌症的治疗策略开发奠定了基础。
图 1 相关研究（图源：[1]）
作为施一公院士的弟子之一，颜宁院士近日也在结构生物学取得重要进展，并对相关药物的开发具有重要启示作用。
2024 年 12 月 16 日，颜宁团队在预印本网站BioRxiv发表了题为 The 8-nm spaghetti: well-structured glycans coating linear tetrapeptide repeats discovered from freshwater with CryoSeek 的文章，研究人员通过对电子密度图进行分析，揭示出这一直径约为 8 nm 的纤维的中心是一条细长的线性多肽，也是整个纤维中唯一属于蛋白的部分，此外，通过计算氨基酸和糖质的比例发现，该纤维结构中糖质的质量占比达到了惊人的 95% 以上，因此研究人员在英文中将之类比为意大利面或者米线。总之，该研究首次揭示了聚糖的高级结构，同时提示选择合适的生物体系能够对糖质的结构生物学研究取得意想不到的突破。
图 8 相关研究（图源：[6]）
GCN2 是翻译启动因子 2a（eIF2a）激酶家族中的一种应激激酶，这些激酶能够感知应激细胞中特异性产生的信号分子，并磷酸化翻译启动因子 eIF2a 的丝氨酸残基。随后，eIF2a 的磷酸化可以抑制蛋白合成的起始步骤并激活综合应激反应（Integrated stress response，ISR），使细胞适应应激环境。此外，ISR 还可以通过重编程基因表达来重建正常的细胞功能，如果无法实现稳态，ISR 则会诱导细胞的凋亡。前期研究发现 GCN2 是一种在真核细胞中激活 ISR 的保守受体激酶，其存在一个组氨酸-tRNA 合成酶样结构域（Histidyl-tRNA synthetase-like，HRSL），该结构域仅在 GCN2 中出现，并位于激酶结构域（Kinase domain，KD）旁边。但是，截至目前，HRSL 如何参与 GCN2 信号转导尚不清楚。
2024 年 11 月 21 日，普林斯顿大学 Alexei Korennykh 团队与深圳医学科学院/普林斯顿大学颜宁团队合作在PNAS Nexus杂志发表了题为 Cryo-EM structure of histidyl-tRNA synthetase-like domain reveals activating crossed helices at the core of GCN2 的研究论文，报道了耐热克卢维酵母（Kluyveromyces marxianus）HRSL 的 3.2 Å 低温电镜结构。研究发现，该结构在 HRSL 和 KDs 之间的交界处拥有一个结构对称的同型二聚体，且具有紧密的螺旋束结构，并且这种结构激活了 GCN2。基于此，研究人员还提出了 GCN2 的调控机制，即 HRSL 驱动活化型激酶二聚体的形成，但 GCN2 的其他结构域则具有相反的作用，因此，两者的平衡使得 ISR 受体处于受调控的状态。
图 2 相关研究（图源：[2]）
低温电镜结果显示 HRSL 结构域拥有一个对称的同型二聚体
为了表征 HRSL 结构域，研究人员克隆了 GCN2，并纯化了相应的 HRSL 结构域，包括单独的和不同长度的侧翼结构域。随后，他们确定了 GCN2 HRSL 的 3.2 Å 冷冻电镜结构，其中大多数侧链都得到了很好的解析。
为了构建 GCN2 HRSL 的结构，他们还从蛋白质序列中生成了一个初始的 AlphaFold 模型，预测的模型包含一个由相互交织的单体形成的交叉的二聚体，并只需要对几个侧链进行微小的修正就可获得最终的结构。其中，GCN2 HRSL 拥有一个额外的 N 端结构，由捆绑的 a-螺旋组成。
图 3 GCN2 HRSL 结构域的低温电镜结构分析（图源：[2]）
连接螺旋二聚化激活 GCN2
进一步的分析发现，HRSL 的 N 端部分含有两个自序 a-螺旋，在二聚体 HRSL 结构中形成对称的平行二聚体，这种二聚体通过广泛的疏水相互作用得以保持，并且 a-螺旋还是 HRSL 结构域的一部分，作为激酶和 HRSL 的连接螺旋（Junction helix，JH）。
随后，研究人员测试了 JH/JH 螺旋同源二聚体的破坏是否会影响 GCN2 的催化活性。他们在冷冻电镜结构中测试了位于 N 端螺旋束核心的疏水残基 L1007A、V1021N 和 V1021A 的突变，结果发现突变 L1007A 能够影响 GCN2 激酶/HRSL 的活性，表明氨基酸 L1007 形成了一种功能相互作用，有助于维持 GCN2 激酶处于活性二聚体状态；突变 V1021A 是中性的，这表明尽管丙氨酸比缬氨酸小，但它有足够的疏水性来保持 JH/JH 相互作用；相比之下，更具侵袭性的突变 V1021N 则足以破坏激酶活性。
图 4 GCN2 活化的功能分析（图源：[2]）
总之，该研究揭示了 HRSL 的结构，并对其发挥功能的区域进行了研究，这对于理解 ISR 受体的调控具有重要启示作用。
除此之外，近几个月以来，颜宁院士及其合作者在 Nature Reviews Molecular Cell Biology、Cell Chemical Biology、PNAS、Current Opinion in Chemical Biology 等杂志发表多篇高水平论文，报道了结构生物学的最新研究进展以及结构生物学与药物研发等层面的重要见解。
2024 年 8 月 5 日，深圳医学科学院/清华大学颜宁与深圳医学科学院特聘研究员潘孝敬团队在Nature Reviews Molecular Cell Biology杂志发表了题为「Structural biology and molecular pharmacology of voltage-gated ion channels」的综述文章，系统回顾了电压门控离子通道结构的最新研究进展，详细阐述了离子通道的工作机制，并重点介绍了原型药物和毒素如何调节电压门控离子通道的活性，并对这些结构在药物中的功能进行了分析。详细解读：
图 5 相关研究（图源：[3]）
2024 年 8 月 15 日，颜宁团队在Cell Chemical Biology发表题为「A versatile residue numbering scheme for Nav and Cav channels」的文章，重点介绍了真核生物 Nav 和 Cav 通道的代表性药物结合位点，还扩展了编号方案，以比较不同 Nav 亚型之间的常见疾病突变。此外，通用残基编号方案的应用还可以直接了解致病突变的热点和药物结合的关键位点，并将促进针对 Nav 和 Cav 通道的药物发现。详细解读：
图 6 相关研究（图源：[4]）
2024 年 10 月 9 日，颜宁团队在PNAS杂志发表了题为 CryoSeek: A strategy for bioentity discovery using cryoelectron microscopy 的研究文章，研究团队使用冷冻电镜发现了直接从自然环境或本地资源中分离出来的完全未知的生物实体，报道了两个相关的原纤维的结构鉴定，称为 TLP-1a 和 TLP-1b，他们将这类研究新范式称为 CryoSeek，其获得的高分辨率结构先于并指导先前未知物体的识别和功能表征。详细解读：
图 7 相关研究（图源：[5]）
2024 年 10 月 17 日，清华大学颜宁、靳雪芹共同通讯在Current Opinion in Chemical Biology杂志发表了题为 Drug discovery targeting Nav1.8: Structural insights and therapeutic potential 的综述文章，系统总结了 Nav1.8 选择性抑制剂的最新进展，重点解析了药物可结合位点和赋予亚型特异性的机制，这些结构上的新见解突出了 Nav1.8 抑制剂作为非成瘾性疼痛管理药物的潜力，从而为下一代镇痛药的开发指明了方向。详细解读：
图 8 相关研究（图源：[6]）
此外丁香学术还盘点了颜宁院士 2024 年文章精选，点击阅读：供大家查阅。
参考资料：
[1] Guo, X., Li, H., Lu, X. et al. Structural basis of human γ-secretase inhibition by anticancer clinical compounds. Nat Struct Mol Biol. 2024 Dec 9.
[2] Solorio-Kirpichyan K, Fan X, et al. Cryo-EM structure of histidyl-tRNA synthetase-like domain reveals activating crossed helices at the core of GCN2. PNAS Nexus. 2024 Nov 21.
[3] Huang J, Pan X, Yan N. Structural biology and molecular pharmacology of voltage-gated ion channels. Nat Rev Mol Cell Biol. 2024 Aug 5.
[4] Jin X, et al. A versatile residue numbering scheme for Nav and Cav channels. Cell Chem Biol. 2024 Aug 15.
[5] Wang T, Li Z, et al. CryoSeek: A strategy for bioentity discovery using cryoelectron microscopy. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Oct 9.
[6] Wang H, Huang J, et al. Drug discovery targeting Nav1.8: Structural insights and therapeutic potential. Curr Opin Chem Biol. 2024 Oct 17.
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