8月1日，國際學(xué)術(shù)期刊Neuron在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細胞生物學(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團隊合作研究成果：“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、情緒和認知具有重大影響。盡管LSD等致幻劑被普遍認為僅具有致幻作用，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，除了與其對靶點的高親和力相關(guān)外，還與其在靶點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）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)揮長效幻覺體驗的基礎(chǔ)，但對于LSD其他靶點的動力學(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。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)解離時間長達數(shù)小時）不同，LSD在DRD1中的解離速度異常快（半數(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)合實驗以及分子動力學(xué)模擬實驗發(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)的幻覺體驗變化?？偨Y(jié)而言，研究人員證實區(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，這在很大程度上貢獻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DRD1的結(jié)構(gòu)，豐富了LSD在不同靶點中的動力學(xué)特征，揭示了GPCR受體動力學(xué)與配體動力學(xué)的調(diào)控機制，為進一步研究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。分子細胞卓越中心-國科大杭高院汪勝研究員、上海藥物所徐華強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。該研究獲得分子細胞卓越中心細胞分析技術(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