无锡制药/报告
拜访上海药物研究所徐华强教授时，恰逢《细胞》杂志封面上关于GPCR磷酸化位点分析的论文发表前夕。因此，徐教授表示，视紫红质磷酸化位点的分析结果最近引起了很多媒体的关注。事实上，作为全球分析高地的平台搭建者，许教授最近有了大动作:即将参与筹建位于安徽宿州的新药研发企业，成为糖尿病、哮喘糖皮质激素新药研发的科学顾问。
在谈到科学家参与医疗创业的理想时，他说，他的两位偶像是百济神州联合创始人王晓东院士和阿里巴巴CEO马云，因为徐教授认为，他们非凡的远见和执行力，不仅会把他们梦想中的产品推向市场，还会让很多人的梦想更有可能实现。
清华大学毕业后，徐华强教授从工程物理和生物物理转向生物技术。在得克萨斯州西南医学中心获得博士学位后，他去麻省理工学院做博士后研究。2010年7月，中国科学院上海药物研究所药物靶标结构与功能中心和中国科学院受体研究重点实验室成立。2016年获得无锡药明生物化学研究杰出成就奖、国际蛋白质学会汉斯·纽拉特奖。
▲糖皮质激素在细胞中的特异性信号转导途径
新一代糖皮质激素药物之路
无锡药明康德:针对核激素受体及相关配体的糖皮质激素类药物的研发，与您近两年最引人注目的研究成果不同。请介绍一下研究糖皮质激素类药物的机会和经验。
徐华强教授:激素受体可分为细胞膜受体和细胞内受体。细胞内受体也称为细胞质受体或细胞核受体。结合类固醇后，它们需要进入细胞核并与特定的DNA片段结合，以激活或抑制基因转录。与核受体结合的常见激素包括雌激素、妊娠激素、甲状腺激素、糖皮质激素和盐皮质激素。糖皮质激素是肾上腺皮质分泌的类固醇激素，可影响糖、蛋白质、脂肪等物质的代谢。糖皮质激素类药物可用于治疗普通抗生素无法治愈的感染、结缔组织疾病、糖尿病、风湿过敏等。最常见的糖皮质激素包括氢化可的松、地塞米松和软糖。
中国大陆糖皮质激素市场每年以30%左右的速度增长，但80%的市场来自国际品牌，国内原创研究药物仍供不应求。此外，传统糖皮质激素毒副作用大，仍可引起肥胖、糖尿病、骨质疏松、皮肤萎缩等。2003年SARS爆发时，地塞米松能有效抑制SARS冠状病毒引起的炎症，但却导致很多患者出现股骨头坏死后遗症。因此，开发疗效更强、副作用更小的新一代糖皮质激素是我国科研人员非常重要和紧迫的任务。
计算机硬件领域的摩尔定律告诉我们，芯片性能将在18个月内翻倍。然而，糖皮质激素药物的替代需要大约10年的时间。我在这个领域深耕25年，可以追溯到我从麻省理工学院博士后毕业的时候。当时我只做了2年博士后研究，导师极力推荐我去GSK工作。当时，葛兰素史克在北卡罗来纳州有一支100多人的核激素受体研究团队，在全球影响力名列前茅，汇聚了基础科学和药物分析领域的精英。我有幸在那个团队工作了5年。
近年来，我的团队在新型糖皮质激素药物的研究中发现了几个有前途的小分子。最近，我们打算和我们的合作伙伴在安徽苏州成立一家企业，开发新一代新型糖皮质激素药物。我们从三维空结构理解核受体家族蛋白与特定激素结合的区域、机制和动力学，希望设计出更高效、更低毒性的新药。
▲PPARγ配体结合口袋区概述
无锡药明康德:在该领域深耕25年后，请介绍新一代糖皮质激素药物最重要的研究成果和整体发展方向。
徐华强教授:糖皮质激素受体属于核受体家族的第3亚科。糖皮质激素在细胞中经历两种信号转导途径:1 .转录激活途径，以二聚体形式与糖皮质激素受体应答元件结合，启动和调节下游应答基因的转录；2.转录抑制途径，以单体形式与细胞核内特定区域的其他转录因子结合，调控下游应答基因的转录。目前大量研究结果表明，遵循TR通路是糖皮质激素类药物在机体内产生抗炎和免疫抑制作用的主要基础；遵循TA途径是糖皮质激素在体内产生副作用的重要原因。因此，新一代糖皮质激素应具有较高的选择性，其在细胞内的信号传导主要通过TR途径，同时特异性避免或切断TA途径，可发挥更强的药效，降低毒副作用。
因此，基于糖皮质激素在生物体内的信号转导机制，我们设计合成了一系列具有明显靶向特性的新型氢化可的松衍生物。体外评价显示，先导化合物VSG-22的抗炎活性比已上市的抗炎药物DEX高两个数量级，而其酯化酶代谢产物VSG-24基本失去抗炎活性。这些结果表明VSG-22具有较高的抗炎效率和代谢安全性。之后，在VSG-22的基础上，我们进一步开发了高效化合物VSG-C12，其活性是市场上哮喘药物的四倍，并且在有效浓度下显示出较低的毒副作用。
我们团队的另一个重要研究方向是开发靶向过氧化物酶体增殖物激活受体γ的胰岛素增敏剂。目前市场上最具代表性的药物PPARγ激动剂长期使用可能导致膀胱癌、心力衰竭等严重副作用，部分药物在欧美已被禁用或限制使用。
PPARs属于配体激活的核转录因子，分为三种亚型。PPARγ主要存在于脂肪细胞中，在调节脂肪细胞的脂肪生成、血糖和血脂代谢、胰岛素敏感性和激素分泌中起关键作用。近年来，一些学者分析了PPARγ的配体动力学机制:配体结合过程涉及多种复杂的动力学机制，动力学构型可以影响配体依赖的分类。基于此，我们提出了新的思路，并结合计算机辅助药物设计技术，设计合成了一系列对PPARγ结合口袋具有明显针对性的新型VSP-51吲哚衍生物配体，以提高其与PPARγ的结合活性，减少相关副作用。之后，我们将继续研究这些吲哚衍生物与PPARγ的构效关系及其对下游关键基因表达的影响，优化潜在吲哚衍生物的药物吸收和药物代谢。
▲视紫红质和阻遏物复合物的高分辨率三维结构
探索七种跨膜受体的异质性空
无锡药明康德:之前你说你的研究是基于核激素受体相关领域，为什么决定为GPCR打造平台高地？两年前你用世界上最强的X射线分析了视紫红质和Arrestin蛋白的复杂结构，被评为2015年中国科技进步十大新闻之一。请谈谈相关研究成果。
徐华强教授:目前人体内已确认的核激素受体只有48个，大部分已经解析，其中我们团队参与解析了约1/3-1/4个受体结构。于是我开始把目光转向膜受体，G蛋白偶联受体是膜受体中最大的家族；12年前，在人体的800多个GPCR中，只有少数结构被成功解析；此外，GPCR也是目前最成功的药物靶点之一。到目前为止，市面上大约40%的药物都是针对这种家族受体的，所以我觉得对GPCR的研究足够我做一辈子了。
美国科学家Lefkowitz和Kobilka在GPCR信号转导领域做出了突出贡献，因此获得了2012年诺贝尔化学奖。然而，在GPCR信号转导领域仍然存在一个很大的问题，那就是GPCR如何激活另一种信号通路——Arrestin蛋白信号通路。这两条通路在GPCR信号通路中起着阴阳的作用。GPCR本身可以激活G蛋白信号通路，但Arrestin蛋白可以阻止GPCR向下游传递信号。从当代科学的角度来看，GPCR这个名字并不完全合适。它们是单肽链的7个跨膜受体，因首次发现介导G蛋白偶联途径而得名；但事实上，GPCR的大部分功能都是通过Arrestin蛋白介导的途径实现的，Arrestin蛋白介导的功能可能比G蛋白更重要，这一点已经被数百家实验室证实。
在研究过程中，我们选择视紫红质作为模型系统，因为它是经典的GPCR之一，即人类第一个系统认知的GPCR模型系统，而另一个经典的GPCR是β2肾上腺素受体。人体内的视紫红质位于视网膜杆细胞内，是夜视的主要感光细胞；而一些微生物表面的视紫红质则起着质子泵的作用，利用光循环运输氢离子合成能量三磷酸腺苷。
2005年至2015年，我带领的国内、国际团队合作，利用世界上最强的X射线激光，成功解析了视紫红质和Arrestin蛋白复合物的晶体结构。这一突破发表在《自然》杂志上。这一结构是继2011年解析人β2肾上腺素受体和Gs蛋白复合物的晶体结构后，首次确认的GPCR和Arrestin的完整复合结构，为揭示它们之间的相互作用奠定了结构基础。到目前为止，还没有解决GPCR和Arrestin的其他复杂结构。
▲磷酸化视紫红质和阻遏物复合物的高分辨率三维结构
无锡药明康德:之后，你继续分析磷酸化视紫红质和GPCR激酶的复合物，发现了三个新的结构域，即GPCR磷酸化位点。请谈谈最近发表的《细胞》封面论文的意义。
徐华强教授:调节GPCR信号通路的开关与GPCR磷酸化密码有关。受外界信号刺激，GPCR激活G蛋白调节第二信使的产生，进而“打开”下游信号传递；然而，一旦GPCR的尾部被GPCR激酶磷酸化，GPCR与G蛋白结合的信号就会被关闭，进而激活GPCR募集Arrestin蛋白的信号转导通路。因此，GPCR磷酸化密码的识别和解释是细胞信号转导领域最重要的问题之一。
本研究工作仍以视紫红质为模型体系。我们已经鉴定了视紫红质表面的三种磷酸盐分子成分，以及Arrestin蛋白表面的相应口袋，它们充当停泊站。这些磷酸基团的特殊排列是视紫红质与Arrestin蛋白结合的必要密码。我们构建了一个新的软件工具PhosCoFinder来扫描各种GPCRs，发现近70%的样本在羧基尾部含有磷酸化编码，表明了这种结构在GPCR的普遍性。我们将继续确认这些发现是否适用于与Arrestin蛋白相互作用的所有GPCR和其他膜蛋白。
目前，GPCR领域仍有许多关键问题没有得到解释:用什么信号来实现和决定GPCR与Arrestin蛋白的偶联途径？这些通道的信号来自哪里？800多种蛋白质结构，每一种都有潜在的功能意义，可能是潜在的药物靶点！过去人们主要观察GPCR与G蛋白的偶联途径，但很多人可能没有意识到GPCR与Arrestin蛋白的偶联途径对于转化医学研究也非常重要。比如有些降压药靶向G蛋白通路后效果很好，但如果Arrestin通路也被抑制，可能会影响心脏的正常功能，甚至导致心力衰竭。因此，在一些药物研发过程中，可能需要选择性抑制G蛋白通路，保持Arrestin蛋白通路的功能畅通。此外，GRK还是靶向药物研发的宝库。如果我们能够深入分析GPCR和GRK之间的相互作用机制，我们有望发现更多的小铅化合物来调节GPCR的功能。
▲XFEL仪器
无锡药明康德:与冷冻电镜、核磁共振相比，如何将高强度X射线辐射的效果控制在安全有效的范围内？结构生物学的观察方法还在改进。你对这个学科的前景如何？
徐华强教授:X射线自由电子激光技术可以发出世界上最亮的X射线，比传统的同步辐射光源强几万亿倍。目前我们的很多实验步骤都需要在美国进行，中国已经开始建设和推进原创性的重大科技基础设施，比如软X射线和硬X射线自由电子激光装置，可以为科学家提供更先进、更丰富的综合实验手段。
在实验过程中，我们需要用模式系统制备成千上万个蛋白质晶体，它们以类似挤牙膏的方式从上到下渗透。x光衍射频率为120赫兹，脉冲约为50飞秒。晶体被照射后，会在皮秒和纳秒内被雾化，因此聚焦的X射线可以在晶体被破坏前立即获得理想的衍射数据。现在不是居里夫人时代，X射线衍射观测可以远程控制，飞秒脉冲X射线射频不会留下辐射，不会影响工人健康。
我相信结构生物学的目标是在分子水平上观察更精细的动态结构，即记录一个理想的分子膜。也许有一天我们可以看到细胞内分子的“舞蹈”图谱！然而，人体的医学检查仍然受限于其不能侵入细胞和组织，因此最先进的结构生物学仪器可能很难在短时间内应用于亚细胞水平的体检。然而，我认为，正是当前科技水平的局限性将鼓励科学家不断开发具有新功能的仪器。解决科学问题不是一口气吃成大胖子，而是一步步解决小问题，才能最终挑战最大的问题。
科学家的创业梦想:以实现更多人的梦想为己任
无锡药明:除了学术研究，你还主持建立了GPCR结构研究的大平台。今年好消息频频传来，包括成功解析人胰高血糖素受体全长蛋白的三维结构。在建立和管理这个平台的过程中，除了学术成果，你还有什么管理经验吗？
徐华强教授:2010年7月去上海药物研究所组织药物靶点GPCR结构平台建设。这个平台建立之初比较薄弱，现在已经成为世界著名的GPCR结构分析高地。我觉得最重要的管理经验就是在关键岗位找到合适的人，然后充分发挥空，然后他们会继续寻找有效的人选。现在这个平台上有将近100名员工。吴蓓莉和赵强是优秀的一对，他们近年来取得了很多突出的成就，并吸引了他们的美国导师、国际GPCR结构生物学的领军人物雷蒙·斯蒂文斯作为客座教授加入研究所。截至目前，该平台主导了与免疫、神经、代谢和心血管疾病密切相关的9种GPCR晶体结构的测定，实现了国内GPCR晶体结构测定的突破。
我个人认为，管理能力优秀，甚至有创业理想的科研人员，对生命科学的发展是有利的。王晓东院士是我的偶像之一，我相当赞同他的观点:科学家是最适合参与创业的人之一，因为基础研究人员在发现大自然的奥秘后，可以更好地利用知识改造自然。对我来说，可以利用结构生物学的基础知识，为药物研发的应用研究提供理论平台和结构基础。现在化学合成发展迅速，有丰富的合成技术共同推动我们的研发工作；所以，我相信科学家和行业精英一起，是可以取得很大成就的。
此外，我认为我们自己的研究团队和整个GPCR研究平台的发展都离不开中国经济快速腾飞的环境。回国这些年，我亲身经历了中国基础设施建设的快速发展，比如高铁、全球电商、电信巨头的崛起。目前，许多著名的外国科学家已经成为中国许多大学的客座教授。除了学术因素，他们也对中国日新月异的变化感到惊讶。毕竟，发展中大国的发展速度在发达国家是罕见的。另一方面，医学和保健领域的创新还处于起步阶段，所以这是临床医学可以快速进步的地方。我相信，得益于国家政策的支持和无锡药明康德等R&D综合服务平台的建立，很多中小创新企业能够逐步将试点药物推进到临床阶段，大力推进医学研究。
无锡药明:你之前提到会参与一个新医药企业的筹建，担任科学顾问。你对科学家参与创业有什么样的热情和感受？
徐华强教授:说到创业本身，科学家需要积累大量的跨界智慧，包括宏大的愿景和执行力。马云是我在这方面的另一个偶像。也许有些学者或工程师在技术领域比他有更高的智商，但我认为电商企业家马立克·云有惊人的远见、执行力、凝聚力和控制能力，并让优秀的人才帮助实现他创造的商业地图，更重要的是，让一个庞大的电商平台给许多中小商家便捷的贸易渠道。就像刘邦的成功不是靠自己的智谋，而是能找到韩信、张亮、萧何等优秀人才，让各自的才能得到完美的释放。
作为一个60岁的老人，我不能忘记几十年前的共同贫困时代。当时，我对共产主义的理解还停留在20世纪初“楼上楼下，电电话”的设想中。如今，大多数人已经进入小康水平，智能手机、私家车等老王谢堂颜倩早已飞入寻常百姓家，甚至自行车也进入了商业共享时代。我认为国家财富的指数级增长是企业家与管理人才、优秀学者、专业工程师共同努力的结果。共产主义的实现有赖于科学技术的进步和财富的增长。通过发达丰富的商业模式和高度市场化的运作，人们可以逐渐摆脱与其专业领域无关的琐碎工作，从而更加专注于自己先进的物质和精神追求。相信几十年后我们会看到更好的社会蓝图，希望我能在经济科技发展的洪流中发挥更大的作用。我认为这一代人非常幸运，因为我们生活在一个历史快速变化的时代。
