趋化因子受体CX3CR1与配体复合物的结构生物学研究

G protein coupled receptors (GPCRs) are the largest receptor superfamily in human, which relate to many kinds of human diseases. Over 40% marketing drugs target GPCRs, indicating their huge research value. Chemokine receptor CX3CR1 belongs to class A of GPCRs and is mainly expressed on natural killer cells, CD4+ monocytes cells, some T-lymphocyte subsets and microglia cells. CX3CR1 is related with multiple diseases, such as allergic asthma, chronic pancreatitis, bone graft rejection, renal ischemia, AIDS, atherosclerosis, amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and many types of cancers. It can barely satisfy the needs of disease treatment, due to the lack information of CX3CR1 targeted drugs as well as the unknown mechanism and side effects of CX3CR1 targeted drugs. Crystal structure determination of CX3CR1 in complex with different ligands will provide insight into ligand binding mechanism of CX3CR1 and facilitate structure-based drug design targeting CX3CR1.

G蛋白偶联受体（GPCR）是人体内最大的蛋白受体超家族，与人类多种疾病密切相关。GPCR是最大的药物靶标蛋白质家族，目前有40%以上的上市药物以GPCR为作用靶点，其药物研究价值巨大。趋化因子受体CX3CR1属于GPCR A家族，主要在自然杀伤细胞、CD4+单核细胞、一些T淋巴细胞的亚群以及小神经胶质细胞中表达。CX3CR1与过敏性哮喘、慢性胰腺炎、骨移植排斥反应、肾缺血、艾滋病HIV-1、动脉粥样硬化、肌萎缩侧索硬化（渐冻症）及多种癌症密切相关。目前靶向CX3CR1受体的药物较少且部分靶向CX3CR1药物的作用位点及毒副作用尚不明确，限制了靶向CX3CR1的药物研发，难以满足疾病治疗的需求。解析CX3CR1-配体复合物的三维晶体结构，有助于阐明趋化因子受体CX3CR1与配体的相互作用模式，阐述CX3CR1相关疾病的发生机理，为后续靶向CX3CR1结构的药物研发打下基础。

趋化因子受体CX3CR1属于GPCR A家族，主要在自然杀伤细胞、CD4+单核细胞、一些T淋巴细胞的亚群以及小神经胶质细胞中表达。CX3CR1与过敏性哮喘、慢性胰腺炎、骨移植排斥 反应、肾缺血、艾滋病HIV-1、动脉粥样硬化、肌萎缩侧索硬化（渐冻症）及多种癌症密切相关。目前靶向CX3CR1受体的药物较少且部分靶向CX3CR1药物的作用位点及毒副作用尚不明确，限制了靶向CX3CR1的药物研发，难以满足疾病治疗的需求。为了阐明趋化因子受体CX3CR1的配体识别及下游信号转导机制，加速药物研发进展，我们针对趋化因子受体CX3CR1与小分子配体及下游信号分子复合物开展了结构生物学研究。.本课题尝试利用结晶及冷冻电镜技术解析CX3CR1的高分辨率三维结构。通过对野生型 CX3CR1的表达载体进行改造提高蛋白性质，包括在N端和第三个胞内环（ICL3）插入融合蛋白、C 端截短、引入热稳定性突变等；另外通过筛选高亲和力配体，最终获得高质量的重组蛋白复合物。随后利用脂立方相（Lipidic cubic phase, LCP）对优化后的38个表达载体与小分子F112（AZD8797）进行荧光漂白恢复（Fluorescence recovery after photobleaching，FRAP）和结晶实验，并对结晶条件（沉淀剂，盐条件，pH 等）进行大量筛选和优化，目前尚未获得晶体。与此同时，我们通过单颗粒冷冻电镜技术成功解析CX3CR1(apo)-Gi及CX3CL1-CX3CR1-Gi复合物的三维结构，分辨率分别为2.8 Å 和3.4 Å，并基于结构开展了相关的功能研究。.CX3CR1（apo）-Gi以及CX3CL1-CX3CR1-Gi复合物结构从原子水平上揭示了配体结合模式和下游信号转导的分子机制。结合突变体体和功能试验的研究结果，我们发现了胆固醇分子特异性结合CX3CR1并稳定其独特的激活态构象；结合以往解析的趋化因子-趋化因子受体复合物结构，我们阐明了趋化因子配体与受体结合的多样化结合模式；此外，CX3CR1-Gi复合物结构中Gi的非典型构象打破了我们对传统G蛋白结合模式的认知,表明G蛋白与GPCR的结合方式具有多样性。这些研究结果加深了人们对趋化因子CX3CR1受体的配体结合模式和信号转导机制的理解，为靶向趋化因子CX3CR1的药物研发奠定了结构基础。