8月1日，《神經(jīng)元》（Neuron）雜志在線發(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(duì)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D-麥角酸二乙酰胺（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(dòng)力學(xué)特征及其對(duì)信號(hào)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(duì)受體的穩(wěn)定作用不僅作用于胞內(nèi)側(cè)高度動(dòng)態(tài)的TM6和TM5，還作用于胞外側(cè)高度動(dòng)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(dòng)力學(xué)特征。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）。研究組的前期工作表明，LSD在其精神活性的主要靶點(diǎn)5-HT2AR受體和血清素2B受體（5-HT2BR）中表現(xiàn)出緩慢的解離速度，這可能是其發(fā)揮長效幻覺體驗(yàn)的基礎(chǔ)，但對(duì)于LSD其他靶點(diǎn)的動(dòng)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(shí)藥效尚不明確。此外，GPCR具有高度動(dòng)態(tài)性，受體中配體所表現(xiàn)出的動(dòng)力學(xué)特征在一定程度上與受體本身的動(dòng)力學(xué)特征密切相關(guān)。GPCR下游的兩條重要信號(hào)通路分別對(duì)應(yīng)不同的效應(yīng)蛋白：G蛋白和β-arrestin，它們在下游信號(hào)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(dòng)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(duì)受體細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域即配體結(jié)合口袋處的動(dòng)力學(xué)影響仍不明確，特別是對(duì)具有高度動(dòng)態(tài)性的第二個(gè)胞外環(huán)（ECL2）的影響，以及這些影響對(duì)于藥物結(jié)合解離動(dòng)力學(xué)的貢獻(xiàn)。這也就意味著，受體動(dòng)力學(xué)特征與配體動(dòng)力學(xué)的關(guān)系仍不清楚。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(gè)在DRD1中模擬β-arrestin信號(hào)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GPCR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(dòng)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(shí)間長達(dá)數(shù)小時(shí)）不同，LSD在DRD1中的解離速度異?？欤ò霐?shù)解離時(shí)間僅僅幾十秒），這歸因于受體ECL2的高度動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(hào)傳導(dǎo)，隨后β-arrestin被募集以使受體脫敏，信號(hào)終止。G蛋白和β-arrestin對(duì)受體動(dòng)力學(xué)的這種差異調(diào)節(jié)反過來作用于配體動(dòng)力學(xué)本身，導(dǎo)致LSD誘發(fā)的幻覺體驗(yàn)變化?？偠灾?，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(duì)配體動(dòng)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(shí)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。該研究解析了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(dòng)力學(xué)特征，揭示了GPCR受體動(dòng)力學(xué)與配體動(dòng)力學(xué)的調(diào)控機(jī)制，為進(jìn)一步研究GPCR的動(dòng)力學(xué)、信號(hào)傳導(dǎo)和藥理學(xué)的功能意義奠定了基礎(chǔ)，有望加速具有特定動(dòng)力學(xué)特征化合物的研發(fā)。該研究得到國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和上海市科技重大專項(xiàng)等的支持。論文鏈接GPCR受體動(dòng)力學(xué)與配體動(dòng)力學(xué)調(diào)控關(guān)系