基于双头分子策略的Smoothened受体作用机制的研究

Smoothened receptor (SMO), one of the Frizzled (Class F) G protein-coupled receptors, plays an essential role in regulating cell differentiation. SMO has been a promising drug target for cancer therapeutics in the context of Hedgehog signaling pathway. Structural studies have been progressed on the determination of its extracellular domain (ECD), transmembrane domain (TMD) and multi-domain, respectively, while the mechanistic understanding of domain-domain communication remain to be fully explored. In this proposal is provided a strategy to design and apply novel bitopic tool compounds comprised of ligands from each domain. To this end, we are going to investigate the binding modes between bitopic ligands and SMO receptor (either simultaneously or not), and analyze the functions of ligands (e.g. agonist, antagonist, partial agonist or reverse agonist). Taken together, these results shall reflect a clear structure-activity relationship (SAR) of the bitopic compounds from which to address the above issues. This project will further the understanding of the role of SMO receptor in the Hedgehog signaling pathway through which rational design of novel drugs can be expected.

Smoothened（SMO）受体属于G蛋白偶联受体中的F家族，在介导和控制细胞分化的过程中具有重要意义，是Hedgehog信号通路相关癌症治疗的热门靶点。SMO受体的跨膜域、胞外域以及多结构域整体结构已分别获得解析，但是各功能域之间的相互作用机制尚未明晰。本项目拟设计和开发由跨膜域和胞外域各自配体链接而成的新型双头（bitopic）工具分子，通过考察配体与受体之间的结合模式（单边结合或同时结合），分析配体的作用模式（拮抗、激活、部分激活和反向激活等），归纳这些工具分子结构与生物活性之间的关系， 推导SMO受体的胞外域与跨膜域之间的互动机理。本项目的实施有助于进一步理解SMO受体在Hedgehog通路中的信号转导角色，为相关疾病的药物开发提供理性的新思路。

Smoothened受体（SMO）是hedgehog信号通路（Hh）中的关键信号转导膜蛋白。在过去的结构生物学研究中，胞外域（ECD）和跨膜域（TMD）已分别得到结构解析。同时，令人困惑的是，结构域之间相对位置不同的相对构象也被陆续报道。对于这些看似矛盾的结果的解读对于理解SMO调控的信号转导机制非常关键。为了从分子水平探索SMO介导的细胞信号的转导机制，我们基于SMO小分子配体设计、合成了四个系列的双头配体。这些配体由一系列长度逐渐变化的连接体将ECD与TMD的配体相连，得到结构全新的SMO激动剂和拮抗剂。我们将这些双头配体作为分子尺，通过描绘活性与连接体长度的关系曲线，推导出SMO在相应状态下的结构信息。结果表明，激活状态下的SMO受体倾向于表现出刚性的“近”构象，而拮抗剂结合的非激活状态SMO受体表现出具有一定柔性的“远”构象。此外，ECD和TMD的配体类型对SMO的构象乃至信号激活状态均具有独特的调控方式。这些结果表明SMO在激活-非激活之间转换时构象也发生了相应的变化。