研究揭示GPCR受體動力學與配體動力學的調控機制

　　8月1日，《神經元》（Neuron）雜志在線發表了中國科學院分子細胞科學卓越創新中心汪勝研究組和中國科學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D-麥角酸二乙酰胺（LSD）在其靶點多巴胺D1受體（DRD1）的結構，結合系統性的藥理學研究，闡明了LSD在不同靶點中的動力學特征及其對信號轉導產生的影響。此外，該研究還以DRD1為模型，證明了G蛋白對受體的穩定作用不僅作用于胞內側高度動態的TM6和TM5，還作用于胞外側高度動態的ECL2區域，這些穩定作用進一步影響LSD結合受體的動力學特征。

　　LSD等經典致幻劑都具有復雜的藥理學特征，靶向眾多的G蛋白偶聯受體（GPCR）。研究組的前期工作表明，LSD在其精神活性的主要靶點5-HT2AR受體和血清素2B受體（5-HT2BR）中表現出緩慢的解離速度，這可能是其發揮長效幻覺體驗的基礎，但對于LSD其他靶點的動力學信息仍然匱乏。其是否具有快速解離特征，以及此快速解離特征是否介導了及時藥效尚不明確。

　　此外，GPCR具有高度動態性，受體中配體所表現出的動力學特征在一定程度上與受體本身的動力學特征密切相關。GPCR下游的兩條重要信號通路分別對應不同的效應蛋白：G蛋白和β-arrestin，它們在下游信號傳導過程中發揮著不同的功能，前者通過結合激活狀態的GPCR并穩定該狀態，而后者的具體作用方式未知。從已解析的結構中分析，G蛋白通過介導受體跨膜螺旋5（TM5）和跨膜螺旋6（TM6）的胞內段向外擺動來穩定活性構象，這是GPCR活化的顯著特征之一。然而，其對受體細胞外結構域即配體結合口袋處的動力學影響仍不明確，特別是對具有高度動態性的第二個胞外環（ECL2）的影響，以及這些影響對于藥物結合解離動力學的貢獻。這也就意味著，受體動力學特征與配體動力學的關系仍不清楚。

　　在該研究中，研究人員篩選并改造得到了與活化狀態DRD1相互作用的納米抗體NBA3。藥理學研究表明，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解析了LSD結合的DRD1的結構，明確了LSD的結合特征。與前期研究組解析的血清素2A/2B受體不同，LSD在DRD1中具有獨特結合模式，具體表現為其麥角堿骨架朝向受體跨膜螺旋4（TM4）。此外，結構信息還揭示了GPCR與β-arrestin偶聯受體的關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。

　　動力學研究結果表明，與LSD在血清素2A/2B受體上的緩慢解離速度（半數解離時間長達數小時）不同，LSD在DRD1中的解離速度異常快（半數解離時間僅僅幾十秒），這歸因于受體ECL2的高度動態性。此外，研究人員以DRD1為模型，通過同位素競爭結合實驗以及分子動力學模擬實驗發現，只有G蛋白而不是β-arrestin，才能穩定受體高度動態的ECL2區域，從而顯著減慢LSD的解離速度。這一觀察結果與既定概念相一致，即GPCR的激活始于G蛋白穩定受體，促進下游信號傳導，隨后β-arrestin被募集以使受體脫敏，信號終止。G蛋白和β-arrestin對受體動力學的這種差異調節反過來作用于配體動力學本身，導致LSD誘發的幻覺體驗變化。

　　總而言之，研究人員證實區別于β-arrestin，G蛋白通過穩定受體胞內側TM6和TM5以及胞外側ECL2共同使得受體維持在其穩定狀態，進而對配體動力學產生一定的調控，具體表現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。

　　該研究解析了LSD與其靶點DRD1的結構，豐富了LSD在不同靶點中的動力學特征，揭示了GPCR受體動力學與配體動力學的調控機制，為進一步研究GPCR的動力學、信號傳導和藥理學的功能意義奠定了基礎，有望加速具有特定動力學特征化合物的研發。

　　該研究得到國家自然科學基金、科技部重點研發項目、中國科學院戰略性先導科技專項和上海市科技重大專項等的支持。