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    Nature |上海藥物所合作揭示“冰毒”與其受體TAAR1的分子識別機制

    文章來源:上海藥物研究所  |  發布時間:2023-11-08  |  【打印】 【關閉

      
      甲基苯丙胺(METH,冰毒的主要成分)是一種合成藥物,在20世紀早期被廣泛用于治療鼻塞、哮喘、肥胖以及嗜睡等癥狀。然而,隨著METH的成癮特性顯現和濫用,導致它被醫學應用中逐漸淘汰反而進入地下市場,成為被廣泛濫用的毒品之一,通常被稱為“冰毒”或“豬肉”等。目前尚無FDA批準的藥物用于治療METH成癮。因此,研究METH與其靶點蛋白的相互作用的分子機制對于開發治療藥物成癮的新藥具有關鍵意義。
      METH成癮主要通過調控多巴胺釋放和再攝取產生作用,這個機制已得到廣泛認可。最新研究顯示,METH可以直接與痕量胺相關受體(TAAR1)結合并激活受體下游的G蛋白信號通路,該相互作用可能成為研究METH在體內進行信號轉導的關鍵節點。此外,TAAR1被認為在調節METH以及其他胺類分子(如內源性苯乙胺)以及精神分裂癥等疾病臨床候選藥物分子的神經生物效應中發揮著關鍵作用。因此,通過結構生物學研究手段深入探究METH以及其他胺類分子與TAAR1之間的相互作用機制,有望為治療藥物成癮和研發新型抗精神類藥物提供重要支撐。
      2023年11月7日,中國科學院上海藥物研究所的徐華強團隊聯合上??萍即髮WiHuman研究所的徐菲課題組、分子卓越創新中心的汪勝團隊以及上海市刑事科學技術研究院,在《 Nature》雜志上以“文章加速預覽(Accelerated Article Preview,AAP)”形式在線發表了題為《Recognition of methamphetamine and other amines by trace amine receptor TAAR1》的最新研究成果。
       TAAR1是一種G蛋白偶聯受體,主要分布在大腦中,能夠識別多種生物胺類物質,包括內源物質β-苯乙胺(β-PEA),并參與神經遞質的調節。與其他痕量胺受體不同,TAAR1主要分布在大腦的單胺能核團及其投射區,例如多巴胺能的腹側被蓋區和黑質致密部,5-羥色胺能的中縫核,以及谷氨酸能的皮質、杏仁核等腦區。這與TAAR1在調節獎賞回路、邊緣系統、認知過程和情感狀態等方面的關鍵作用高度一致。因此,TAAR1的獨特生理功能與多種精神疾病和藥物成癮密切相關。已經證明TAAR1激動劑對治療精神分裂癥、抑郁癥和藥物成癮具有潛力。
      在該項研究中,研究人員利用冷凍電鏡技術首次確定了人源TAAR1-G s蛋白復合物分別與METH、內源配體β-PEA,以及選擇性激動劑RO5256390和臨床候選藥物SEP-363856激活后的高分辨率結構 (圖1)。通過結構分析,研究人員發現METH定位在TAAR1的正構結合口袋中,主要通過與103位的天冬氨酸和294位的酪氨酸形成的極性相互作用來特異性地與TAAR1結合(圖2a-b)。此外,配體結合口袋及其周圍所形成氫鍵網絡有助于穩定配體與TAAR1的相互作用(圖2b-c)。TAAR1中的第二個胞外環(ECL2)形成較特殊的“蓋子”結構,并利用與其他單胺類受體差異較大的第186位苯丙氨酸以及其他疏水氨基酸直接或間接參與配體相互作用,形成TAAR1特有的分子識別機制 (圖2a)。與內源配體β-PEA相比,METH與關鍵殘基第103位的天冬氨酸和107位的絲氨酸的極性相互作用較弱,導致其與TAAR1的親和力下降,這可能是β-PEA比METH更高效結合TAAR1的結構基礎(圖2d)。研究還通過分子動力學模擬以及系統的突變與功能實驗驗證了上述結論。
    圖1,四種 TAAR1 激動劑激活 TAAR1 的功能評估及 TAAR1-Gs,5HT1A-Gi復合物的整體結構。(a)四種TAAR1激動劑的結構式(b)四種配體激活TAAR1的功能評估(c-d)TAAR1-Gs,5HT1A-Gi復合物的整體結構密度圖。
       此外,研究還解析了其他具有臨床研究潛力的藥物,如雙靶點胺類化合物SEP-363856(臨床候選藥物,又名Ulotaront)和TAAR1選擇性激動劑RO5256390,分別激活TAAR1的復合物結構,揭示了這兩個化合物分別在多重藥理學和選擇性作用中的分子機制 (圖1)。例如,SEP-363856對TAAR1和5-HT1A受體均具有激動劑活性,但對TAAR1的激活效能更高。結構比對分析發現,盡管兩者的結合口袋存在一定的相似性,但TAAR1特有的極性相互作用網絡有助于增強SEP-363856的親和力(圖2e)。RO5256390對TAAR1的高親和力和高度選擇性的分子機制在于其2-胺基噁唑基團與TAAR1結合口袋的氨基酸殘基形成額外的相互作用,而在5-HT1A受體的結合口袋中則會引起位阻(圖2f)。這些發現為精準設計新型藥物提供了理論基礎。

    圖2,TAAR1復合物的結構分析和功能驗證(a)METH定位于TAAR1受體的正構結合口袋;(b-c)TAAR1結構中的氫鍵網絡穩定配體和第103位天冬氨酸,第294位酪氨酸的相互作用(b)及其功能驗證(c);(d)METH和β-PEA在TAAR1結合口袋中的相互作用差異;(e)SEP-363856激活TAAR1受體和5HT1A受體的相互作用比較; (f)結構比對表明RO5256390在5-HT1A受體的結合口袋中會引起位阻,因而難以激活5-HT1A受體。
       綜上而言,這項研究代表了METH研究領域的一個里程碑,其研究成果將帶動一系列廣泛和深遠的影響,有望開辟一個超越經典神經遞質如5-羥色胺和多巴胺的生物胺研究新領域。這項研究系統性地揭示了METH和其他胺類化合物與TAAR1相互作用的關鍵結構要素,為治療藥物成癮和神經精神疾病的新藥研發提供了堅實的基礎。同時,TAAR1作為單胺類系統的最后一個未解析結構的受體,該研究填補了現有胺能受體結構領域的空白,對于理解單胺類系統的藥效學研究具有重要意義,有望推動新一代更有效藥物的開發。
       值得一提的是,上海藥物研究所的徐華強團隊長期致力于研究與藥物成癮相關的科學問題。他們在2022年和2023年分別與國內外頂尖團隊合作,在《Cell》雜志上發表了兩篇重要文章,系統地闡述了阿片受體與多種小分子鎮痛藥和內源性阿片肽之間的作用機制,為相關研究領域提供了堅實的結構藥理學基礎。這些工作突出了徐華強研究員及其團隊在解決與藥物成癮有關的重要科學問題方面的杰出工作。
       本研究中的冷凍電鏡數據由上海藥物所高峰電鏡中心和上??萍即髮W生物電鏡平臺收集。上海藥物研究所劉恒博士、王悅博士、上??萍即髮W2023屆博士畢業生鄭優,分子卓越創新中心博士研究生王雨朦為該論文的共同第一作者。徐華強研究員、徐菲研究員、汪勝研究員,劉文斌研究員為共同通訊作者。該項研究獲得了包括中國科技部、國家自然科學基金、上海市科技重大專項、中國科學院戰略性先導科技專項等經費的資助。
       相關文章:
    科學插圖,展示了TAAR1受體在大腦中識別成癮藥物 METH 分子的結構基礎。

     

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