8月1日，國際學(xué)術(shù)期刊Neuron在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）汪勝研究組和中國科學(xué)院上海藥物研究所徐華強(qiáng)團(tuán)隊合作研究成果：“Structural basis of psychedelic LSD recognition at dopamine D1 receptor”。該研究通過解析致幻劑LSD在其靶點(diǎn)多巴胺D1受體（DRD1）的結(jié)構(gòu)，結(jié)合系統(tǒng)性的藥理學(xué)研究，闡明了LSD在不同靶點(diǎn)中的動力學(xué)特征及其對信號轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生的影響。此外，該研究還以DRD1為模型證明了G蛋白對受體的穩(wěn)定作用不僅作用于胞內(nèi)側(cè)高度動態(tài)的TM6和TM5還作用于胞外側(cè)高度動態(tài)的ECL2區(qū)域，這些穩(wěn)定作用進(jìn)一步影響LSD結(jié)合受體的動力學(xué)特征。
LSD，又名D-麥角酸二乙酰胺，是一種眾所周知的半人工合成致幻劑，對感知、情緒和認(rèn)知具有重大影響。盡管LSD等致幻劑被普遍認(rèn)為僅具有致幻作用，并伴隨一定的不良反應(yīng)，但后續(xù)的臨床研究卻表明，這些藥物在治療難治性抑郁癥和酒精成癮等精神障礙方面展現(xiàn)出巨大的治療潛力。通常情況下，藥物在體內(nèi)的藥效持續(xù)時間，除了與其對靶點(diǎn)的高親和力相關(guān)外，還與其在靶點(diǎn)的停留時間密切相關(guān)。LSD等經(jīng)典致幻劑都具有復(fù)雜的藥理學(xué)特征，靶向眾多的G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）。研究組的前期研究工作表明，LSD在5-HT2AR受體（其精神活性的主要靶點(diǎn)）和血清素2B受體（5-HT2BR）中表現(xiàn)出緩慢的解離速度（Cell, 2017; Science, 2022），這可能是其發(fā)揮長效幻覺體驗(yàn)的基礎(chǔ)，但對于LSD其他靶點(diǎn)的動力學(xué)信息仍然匱乏，其是否具有快速解離特征，以及此快速解離特征是否介導(dǎo)了及時藥效尚不明確。
此外，GPCR具有高度動態(tài)性，受體中配體所表現(xiàn)出的動力學(xué)特征在一定程度上與受體本身的動力學(xué)特征密切相關(guān)。GPCR下游的兩條重要信號通路分別對應(yīng)不同的效應(yīng)蛋白：G蛋白和β-arrestin，它們在下游信號傳導(dǎo)過程中發(fā)揮著不同的功能，前者通過結(jié)合激活狀態(tài)的GPCR并穩(wěn)定該狀態(tài)，而后者的具體作用方式未知。從已解析的結(jié)構(gòu)中分析，G蛋白通過介導(dǎo)受體跨膜螺旋5（TM5）和跨膜螺旋6（TM6）的胞內(nèi)段向外擺動來穩(wěn)定活性構(gòu)象，這是GPCR活化的顯著特征之一。然而，其對受體細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域即配體結(jié)合口袋處的動力學(xué)影響仍不明確，特別是對具有高度動態(tài)性的第二個胞外環(huán)（ECL2）的影響，以及這些影響對于藥物結(jié)合解離動力學(xué)的貢獻(xiàn)。這也就意味著，受體動力學(xué)特征與配體動力學(xué)的關(guān)系仍不清楚。近年來，GPCR結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究如火如荼，結(jié)構(gòu)信息加速了新藥的研發(fā)，現(xiàn)階段主要致力于發(fā)現(xiàn)選擇性的化合物或者是具有信號偏向性的化合物，以避免副作用的產(chǎn)生，從而達(dá)到更好的療效。鑒于化合物在受體中的動力學(xué)特征與其藥效息息相關(guān)，藥物研發(fā)的下一個熱點(diǎn)將聚焦于具有特定動力學(xué)特征的化合物開發(fā)。
在該研究中，研究人員篩選并改造得到了與活化狀態(tài)DRD1相互作用的納米抗體NBA3，藥理學(xué)研究表明NBA3是一個在DRD1中模擬β-arrestin信號特征的納米抗體。在NBA3的輔助下，研究人員利用冷凍電鏡技術(shù)解析了LSD結(jié)合的DRD1的結(jié)構(gòu)，明確了LSD的結(jié)合特征。與前期研究組解析的血清素2A/2B受體不同，LSD在DRD1中具有獨(dú)特結(jié)合模式，具體表現(xiàn)為其麥角堿骨架朝向受體跨膜螺旋4（TM4）。此外，結(jié)構(gòu)信息還揭示了G蛋白偶聯(lián)受體與β-arrestin偶聯(lián)受體的關(guān)鍵決定因素分別為二者間具有電荷互斥作用力與電荷互吸作用力。
動力學(xué)研究結(jié)果表明，與LSD在血清素2A/2B受體上的緩慢解離速度（半數(shù)解離時間長達(dá)數(shù)小時）不同，LSD在DRD1中的解離速度異?？欤ò霐?shù)解離時間僅僅幾十秒），這歸因于受體ECL2的高度動態(tài)性。此外，研究人員以DRD1為模型，通過同位素競爭結(jié)合實(shí)驗(yàn)以及分子動力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只有G蛋白，而不是β-arrestin，才能穩(wěn)定受體高度動態(tài)的ECL2區(qū)域，從而顯著減慢LSD的解離速度。這一觀察結(jié)果與既定概念相一致，即GPCR的激活始于G蛋白穩(wěn)定受體，促進(jìn)下游信號傳導(dǎo)，隨后β-arrestin被募集以使受體脫敏，信號終止。G蛋白和β-arrestin對受體動力學(xué)的這種差異調(diào)節(jié)反過來作用于配體動力學(xué)本身，導(dǎo)致LSD誘發(fā)的幻覺體驗(yàn)變化。總結(jié)而言，研究人員證實(shí)區(qū)別于β-arrestin，G蛋白通過穩(wěn)定受體胞內(nèi)側(cè)TM6和TM5以及胞外側(cè)ECL2共同使得受體維持在其穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而對配體動力學(xué)產(chǎn)生一定的調(diào)控，具體表現(xiàn)為配體在受體中的停留時間延長，配體與受體之間的親和力增強(qiáng)，這在很大程度上貢獻(xiàn)了配體的高效能藥效。
綜上所述，這項研究解析了LSD與其靶點(diǎn)DRD1的結(jié)構(gòu)，豐富了LSD在不同靶點(diǎn)中的動力學(xué)特征，揭示了GPCR受體動力學(xué)與配體動力學(xué)的調(diào)控機(jī)制，為進(jìn)一步研究GPCR的動力學(xué)、信號傳導(dǎo)和藥理學(xué)的功能意義奠定了基礎(chǔ)，加速了具有特定動力學(xué)特征化合物的研發(fā)。
國科大杭高院生命學(xué)院樊魯玉博士后，上海藥物所莊友文博士（現(xiàn)任上海交通大學(xué)研究員），分子細(xì)胞卓越中心吳鴻宇博士研究生以及上?？萍即髮W(xué)黎慧瓊博士研究生為該論文共同第一作者。分子細(xì)胞卓越中心-國科大杭高院汪勝研究員、上海藥物所徐華強(qiáng)研究員以及國科大杭高院樊魯玉博士后為該論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)項目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)研究項目和上海市科技重大專項等項目的支持。該研究獲得分子細(xì)胞卓越中心細(xì)胞分析技術(shù)平臺、分子生物學(xué)技術(shù)平臺和化學(xué)生物學(xué)技術(shù)平臺給予的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.neuron.2024.07.003
GPCR受體動力學(xué)與配體動力學(xué)調(diào)控關(guān)系
