科學家揭秘抑郁癥靶點5-羥色胺受體的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
血清素或5-羥色胺（5-HT）是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，可激活最大的G蛋白偶聯(lián)受體亞型家族。靶向5-HT1A、5-HT1D、5-HT1E和其他5-HT受體的藥物用于治療多種疾病。5-HT受體具有高水平的基礎(chǔ)活性，并受脂質(zhì)的調(diào)節(jié)，但這些受體的脂質(zhì)調(diào)節(jié)和基礎(chǔ)激活的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以及5-HT的泛興奮性尚不清楚。
基于此，來自中國科學院上海藥物研究所徐華強教授和蔣軼教授，聯(lián)合浙江大學張巖教授帶領(lǐng)團隊，報告了5-HT受體-G蛋白復合物的五種結(jié)構(gòu)：5-HT1A處于載脂蛋白狀態(tài)，與5-HT結(jié)合或與抗精神病藥物阿立哌唑結(jié)合，5-HT1D與5-HT結(jié)合，5-HT1E與5-HT1E-和5-HT1F-選擇性激動劑BRL-54443的復合物。相關(guān)研究成果以“Structural insights into the lipid and ligand regulation of serotonin receptors” 為題，在線發(fā)表在《Nature》雜志上。
研究人員發(fā)現(xiàn)，除了結(jié)合的PtdIns4P外，5-HT1A在膜界面被一組廣泛的脂質(zhì)分子包圍，包括10個膽固醇分子和3個來自磷脂的酰基尾。這些脂質(zhì)分子在冷凍電鏡密度圖中有很好的定義。值得注意的是，PtdIns4P的兩個酰基鏈中的一個夾在兩個膽固醇分子之間，這表明膽固醇在穩(wěn)定PtdIns4P的結(jié)合中起作用。這些觀察結(jié)果表明膽固醇直接參與PtdIns4P的結(jié)合，因此為長期觀察到5-HT1A信號由膽固醇和磷脂酶調(diào)節(jié)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
為了研究水分子在結(jié)合囊中的作用，研究人員進行了額外的分子動力學模擬，包括活性apo-5-HT1A受體和非活性apo-5-HT1A受體。為每個系統(tǒng)生成兩個100 ns的模擬。在活性載脂蛋白受體模擬中，功能重要的殘基Asp1163×32、Ser1995×43和Thr1213×37可通過五個水分子的氫鍵網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。在活性載脂蛋白受體系統(tǒng)中，68.8%的模擬軌跡維持了這種氫鍵網(wǎng)絡(luò)。然而，在非活性載脂蛋白受體系統(tǒng)中，TM6螺旋位于細胞外側(cè)遠離TM5的位置，這導致容納更多水分子的更大口袋。因此，在非活性apo受體系統(tǒng)的模擬軌跡中，只有14.1%的軌跡觀察到活性apo受體系統(tǒng)中連接Asp1163×32、Thr1213×37和Ser1995×43的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。
為了確定5-羥色胺泛痛覺的基礎(chǔ)，研究人員對5-HT1A、5-HT1D和5-HT1E結(jié)構(gòu)進行了兩兩比較。5-HT與5-HT1A和5-HT1D具有非常相似的親和力，pKi值分別為8.4和8.5 28。通過與5-HT1A和5-HT1D結(jié)構(gòu)中5-HT的結(jié)合模式進行比較，發(fā)現(xiàn)5-HT在5-HT1A和5-HT1D中采用了幾乎重疊的構(gòu)象，突變研究進一步支持了這一結(jié)果。組成5-HT結(jié)合囊的殘基在5-HT受體之間具有中到高的序列保守性。在所有12個5-HT gpcR中，22個配體口袋殘基中只有8個，而其他14個殘基因受體而異。總之，這表明5-HT的所有部分都可以與12個5-HT-GPCR亞型形成不同的相互作用，從而證明GPCR可以與具有相似親和力和功能反應的同一內(nèi)源性配體相互作用，從而為5-HT的泛興奮性提供了基礎(chǔ)。
綜上所述，該研究團隊報告了5-HT受體-G蛋白復合物的五種結(jié)構(gòu)：5-HT1A處于載脂蛋白狀態(tài)，與5-HT結(jié)合或與抗精神病藥物阿立哌唑結(jié)合，5-HT1D與5-HT結(jié)合，5-HT1E與5-HT1E-和5-HT1F-選擇性激動劑BRL-54443的復合物。并發(fā)現(xiàn)磷脂酰肌醇4-磷酸存在于G-蛋白-5-HT1A界面，并且能夠增加5-HT1A介導的G-蛋白活性。而且受體跨膜結(jié)構(gòu)域被膽固醇分子包圍，特別是在5-HT1A的情況下，其中膽固醇分子直接參與形成決定阿立哌唑特異性的配體結(jié)合囊。在載脂蛋白-5-HT1A的配體結(jié)合囊中有模擬5-HT激活受體的結(jié)構(gòu)水分子。這些研究結(jié)果解決了一個長期存在的問題，即脂質(zhì)和水分子如何調(diào)節(jié)G蛋白偶聯(lián)受體，揭示了5-HT如何作為一種泛激動劑，并確定了5-HT受體中藥物識別的決定因素。
參考文獻
1、Xu, Peiyu et al. “Structural insights into the lipid and ligand regulation of serotonin receptors.” Nature, 10.1038/s41586-021-03376-8. 24 Mar. 2021, doi:10.1038/s41586-021-03376-8
2、Berger, Miles et al. “The expanded biology of serotonin.” Annual review of medicine vol. 60 (2009): 355-66. doi:10.1146/annurev.med.60.042307.110802
3、Barnes, Nicholas M et al. “International Union of Basic and Clinical Pharmacology. CX. Classification of Receptors for 5-hydroxytryptamine; Pharmacology and Function.” Pharmacological reviews vol. 73,1 (2021): 310-520. doi:10.1124/pr.118.015552
基于此，來自中國科學院上海藥物研究所徐華強教授和蔣軼教授，聯(lián)合浙江大學張巖教授帶領(lǐng)團隊，報告了5-HT受體-G蛋白復合物的五種結(jié)構(gòu)：5-HT1A處于載脂蛋白狀態(tài)，與5-HT結(jié)合或與抗精神病藥物阿立哌唑結(jié)合，5-HT1D與5-HT結(jié)合，5-HT1E與5-HT1E-和5-HT1F-選擇性激動劑BRL-54443的復合物。相關(guān)研究成果以“Structural insights into the lipid and ligand regulation of serotonin receptors” 為題，在線發(fā)表在《Nature》雜志上。
研究人員發(fā)現(xiàn)，除了結(jié)合的PtdIns4P外，5-HT1A在膜界面被一組廣泛的脂質(zhì)分子包圍，包括10個膽固醇分子和3個來自磷脂的酰基尾。這些脂質(zhì)分子在冷凍電鏡密度圖中有很好的定義。值得注意的是，PtdIns4P的兩個酰基鏈中的一個夾在兩個膽固醇分子之間，這表明膽固醇在穩(wěn)定PtdIns4P的結(jié)合中起作用。這些觀察結(jié)果表明膽固醇直接參與PtdIns4P的結(jié)合，因此為長期觀察到5-HT1A信號由膽固醇和磷脂酶調(diào)節(jié)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
為了研究水分子在結(jié)合囊中的作用，研究人員進行了額外的分子動力學模擬，包括活性apo-5-HT1A受體和非活性apo-5-HT1A受體。為每個系統(tǒng)生成兩個100 ns的模擬。在活性載脂蛋白受體模擬中，功能重要的殘基Asp1163×32、Ser1995×43和Thr1213×37可通過五個水分子的氫鍵網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。在活性載脂蛋白受體系統(tǒng)中，68.8%的模擬軌跡維持了這種氫鍵網(wǎng)絡(luò)。然而，在非活性載脂蛋白受體系統(tǒng)中，TM6螺旋位于細胞外側(cè)遠離TM5的位置，這導致容納更多水分子的更大口袋。因此，在非活性apo受體系統(tǒng)的模擬軌跡中，只有14.1%的軌跡觀察到活性apo受體系統(tǒng)中連接Asp1163×32、Thr1213×37和Ser1995×43的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。
為了確定5-羥色胺泛痛覺的基礎(chǔ)，研究人員對5-HT1A、5-HT1D和5-HT1E結(jié)構(gòu)進行了兩兩比較。5-HT與5-HT1A和5-HT1D具有非常相似的親和力，pKi值分別為8.4和8.5 28。通過與5-HT1A和5-HT1D結(jié)構(gòu)中5-HT的結(jié)合模式進行比較，發(fā)現(xiàn)5-HT在5-HT1A和5-HT1D中采用了幾乎重疊的構(gòu)象，突變研究進一步支持了這一結(jié)果。組成5-HT結(jié)合囊的殘基在5-HT受體之間具有中到高的序列保守性。在所有12個5-HT gpcR中，22個配體口袋殘基中只有8個，而其他14個殘基因受體而異。總之，這表明5-HT的所有部分都可以與12個5-HT-GPCR亞型形成不同的相互作用，從而證明GPCR可以與具有相似親和力和功能反應的同一內(nèi)源性配體相互作用，從而為5-HT的泛興奮性提供了基礎(chǔ)。
綜上所述，該研究團隊報告了5-HT受體-G蛋白復合物的五種結(jié)構(gòu)：5-HT1A處于載脂蛋白狀態(tài)，與5-HT結(jié)合或與抗精神病藥物阿立哌唑結(jié)合，5-HT1D與5-HT結(jié)合，5-HT1E與5-HT1E-和5-HT1F-選擇性激動劑BRL-54443的復合物。并發(fā)現(xiàn)磷脂酰肌醇4-磷酸存在于G-蛋白-5-HT1A界面，并且能夠增加5-HT1A介導的G-蛋白活性。而且受體跨膜結(jié)構(gòu)域被膽固醇分子包圍，特別是在5-HT1A的情況下，其中膽固醇分子直接參與形成決定阿立哌唑特異性的配體結(jié)合囊。在載脂蛋白-5-HT1A的配體結(jié)合囊中有模擬5-HT激活受體的結(jié)構(gòu)水分子。這些研究結(jié)果解決了一個長期存在的問題，即脂質(zhì)和水分子如何調(diào)節(jié)G蛋白偶聯(lián)受體，揭示了5-HT如何作為一種泛激動劑，并確定了5-HT受體中藥物識別的決定因素。
參考文獻
1、Xu, Peiyu et al. “Structural insights into the lipid and ligand regulation of serotonin receptors.” Nature, 10.1038/s41586-021-03376-8. 24 Mar. 2021, doi:10.1038/s41586-021-03376-8
2、Berger, Miles et al. “The expanded biology of serotonin.” Annual review of medicine vol. 60 (2009): 355-66. doi:10.1146/annurev.med.60.042307.110802
3、Barnes, Nicholas M et al. “International Union of Basic and Clinical Pharmacology. CX. Classification of Receptors for 5-hydroxytryptamine; Pharmacology and Function.” Pharmacological reviews vol. 73,1 (2021): 310-520. doi:10.1124/pr.118.015552
