2019 年 5 月 16 日，由山西锦波生物医药股份有限公司与复旦大学基础医学院及中科院生物物理研究所共同取得的「人体Ⅲ型胶原蛋白创新成果」在我国历史文化名城山西太原召开学术研讨及新成果发布会议。本次会议邀请山西省政府领导、中国医师协会领导、复旦大学教授、中科院生物物理所研究人员等重磅嘉宾一同参与。
会后，丁香园有幸采访到了中科院生物物理研究所朱赟副研究员，并请他从原子水平对胶原蛋白新功能区结构解析的意义等方面进行了专业解答。
曾经困扰了人类半个世纪的胶原蛋白原子结构
人类对于胶原蛋白结构的认识，经历了漫长曲折的过程。从 1940 年左右，科学家们就开始猜测人体内大量分布的胶原蛋白的原子结构，并陆续提出了很多错误的结构模型。经过了半个多世纪的探索，直到 1994 年，国外的科学家利用点突变的方法才第一次从原子水平解析得到了胶原蛋白的结构，发现胶原蛋白是由三条蛋白质单链相互紧密结合盘绕而成的右手三螺旋结构。至今，人类已经解析了大约 15 万个蛋白质的结构，但人体胶原蛋白 28 种亚型中仍然没有任何一种全长蛋白的原子结构得到解析。
具体到人体Ⅲ型胶原蛋白，它是由 1466 个氨基酸组成的纤维类胶原蛋白亚型，同样其全长的原子结构是未知的。而此次复旦大学和锦波生物联合开发的重组人源Ⅲ型胶原蛋白，是基于人体Ⅲ型胶原蛋白序列螺旋区中 483-512 的区域制备得到的。目前，这段区域的筛选和功能研究部分已经由复旦大学基础医学院完成，其产业化应用和临床研究已由山西锦波生物医药股份有限公司完成，而这个区域的原子结构也刚刚由我们生物物理所解析完成，并已经投到国际蛋白质数据库（PDB）中。这段区域由锦波生物联合复旦大学首次发现的人 III 型胶原蛋白的功能区，没有任何结构信息，我们的结构解析成果不仅填补了人体Ⅲ型胶原蛋白这个区域结构的研究空白，对全人类科研做了贡献，更重要的意义是通过其原子结构来显示其众多的功能特征，指导相关胶原蛋白产品的广泛应用。
胶原蛋白结构与功能的内在联系
任何一个蛋白的生物学功能，都有其对应的结构基础。例如生物酶，肯定有一个催化的活性中心，从而催化相应的底物发生反应。对人源Ⅲ型胶原蛋白来说也是如此，复旦锦波联合研究中心筛选并鉴定出 483-512 的新功能区具有许多重要的生物学功能，比如很高的细胞黏附性、很好的水溶性、很强的稳定性等等。而所有这些表观的功能，我们现在发现其实都有其内在的结构基础。
1. 我们在解析得到的高分辨率晶体结构中，发现 488-510 位的Ⅲ型胶原蛋白可以形成更稳定的三螺旋结构。其不仅在主链内部存在密集的氢键相互作用网络，更通过序列中很多电离氨基酸的侧链形成了三条链之间丰富的外周氢键相互作用，例如我们发现的独特精氨酸三角形结构等，都进一步提高了整体结构的稳定性。这些三螺旋中的氢键网络与以往胶原蛋白结构中的羟脯氨酸介导的三螺旋氢键网络有明显区别。我们在高分辨率的原子水平结构中可以非常清楚地看到每一个氨基酸中氧原子、氮原子的位置，测量他们相互作用的距离。
2. 在我们 1.5 埃的高分辨率晶体结构中，可以看到有很多的水分子牢牢结合在胶原蛋白的三螺旋结构上，尤其是序列中电离氨基酸的侧链位置上。由于他们之间形成了紧密的氢键结合，这些水分子不易从胶原蛋白上脱落，整个蛋白的亲水性和可溶性都会提高。
3. 在结构中我们可以看到人Ⅲ型胶原蛋白上面很多的 GER、GEK 等细胞结合基序，已有前期试验证实这些基序可以提高胶原蛋白的细胞黏附活性。
4. 按照人们之前的计算和实验研究，推测胶原蛋白应该是存在一个柔性弯曲结构，从而更利于其结合到人体细胞表面蛋白上。在我们解析到的晶体结构中，恰好发现 488-510 位的Ⅲ型胶原蛋白在晶体结构中呈现出特有的 164.88°的明显柔性弯曲结构，有助于提高其细胞黏附活性。如果不解析这部分区域的原子结构，我们可能永远看不到上述这些重要的结构特征。
人源Ⅲ型胶原蛋白应用前景广阔
目前市场上的胶原蛋白主要分为两种，一种是天然提取的动物来源的胶原蛋白；另一种是生物发酵法制得的重组胶原蛋白，可以基于人体胶原蛋白序列经过改造、突变或人工设计制成的胶原蛋白产品，或者是完全来源于人体自身胶原蛋白序列的产品。
此次发布的复旦锦波联合研究中心开发的人源Ⅲ型胶原蛋白产品，属于重组制得的生物制品，同时又属于完全来源于人体胶原蛋白序列的产品。它与普通胶原蛋白的区别与优势在于两个方面：一是它完全基于人体Ⅲ型胶原蛋白 483-512 功能区的序列，与人体同源，不会有免疫排异反应；二是它由生物发酵法制得，不会有动物来源的病毒污染或其他担忧，在人体运用中得到了安全性的保障。
胶原蛋白产品目前主要有三种经典的使用方式：
1. 在皮肤完好、屏障完整时用胶原蛋白类的化妆品，一是利用它亲水保湿功效，二是因为它容易形成网状结构，可以有一个屏障作用，保护皮肤；
2. 皮肤屏障受损时，如经过激光术后或者其他表皮有损伤的情况，这时在表皮使用胶原蛋白产品，可以起到修复皮肤屏障的作用，包括毛囊的损伤、皮肤外部的损伤；
3. 胶原蛋白填充使用，比如在皱纹或者在其它部位使用胶原蛋白注射。除此之外，还有更多用途值得进一步研究。
朱赟博士解释道，一个完整的皮肤屏障是不允许大分子物质进入的，这是人体的一个自我保护机制。所以在皮肤屏障完整的情况下，无论是几十 kDa 或上百 kDa 的胶原蛋白，都是不可能直接进入皮肤的。但是相比其他胶原蛋白，重组人源Ⅲ型胶原蛋白由于水溶性好及细胞粘附性高等特点，在上述三种应用场景中，相比不具有这样特性的胶原蛋白，可以有更高的生物利用度。
小结
从最开始的序列设计到功能研究，然后深入到结构研究，需要多方面的合作、花费大量的精力。人源Ⅲ型胶原蛋白将近十年的研究，将结构方面的研究做的非常深入、扎实，积累了丰富的实验数据，相信这些过往的努力将使其在应用于各个场景时都是最有力的保障。
