科学家揭秘抑郁症靶点5-羟色胺受体的结构基础
时间：2021-07-14 阅读：315
血清素或5-羟色胺(5-HT)是一种重要的神经递质，可激活最大的G蛋白偶联受体亚型家族。靶向5-HT1A、5-HT1D、5-HT1E和其他5-HT受体的药物用于治疗多种疾病。5-HT受体具有高水平的基础活性，并受脂质的调节，但这些受体的脂质调节和基础激活的结构基础以及5-HT的泛兴奋性尚不清楚。
基于此，来自中国科学院上海药物研究所徐华强教授和蒋轶教授，联合浙江大学张岩教授带领团队，报告了5-HT受体-G蛋白复合物的五种结构：5-HT1A处于载脂蛋白状态，与5-HT结合或与抗精神病药物阿立哌唑结合，5-HT1D与5-HT结合，5-HT1E与5-HT1E-和5-HT1F-选择性激动剂BRL-54443的复合物。相关研究成果以“Structural insights into the lipid and ligand regulation of serotonin receptors” 为题，在线发表在《Nature》杂志上。
研究人员发现，除了结合的PtdIns4P外，5-HT1A在膜界面被一组广泛的脂质分子包围，包括10个胆固醇分子和3个来自磷脂的酰基尾。这些脂质分子在冷冻电镜密度图中有很好的定义。值得注意的是，PtdIns4P的两个酰基链中的一个夹在两个胆固醇分子之间，这表明胆固醇在稳定PtdIns4P的结合中起作用。这些观察结果表明胆固醇直接参与PtdIns4P的结合，因此为长期观察到5-HT1A信号由胆固醇和磷脂酶调节提供了结构基础。
为了研究水分子在结合囊中的作用，研究人员进行了额外的分子动力学模拟，包括活性apo-5-HT1A受体和非活性apo-5-HT1A受体。为每个系统生成两个100 ns的模拟。在活性载脂蛋白受体模拟中，功能重要的残基Asp1163×32、Ser1995×43和Thr1213×37可通过五个水分子的氢键网络稳定。在活性载脂蛋白受体系统中，68.8%的模拟轨迹维持了这种氢键网络。然而，在非活性载脂蛋白受体系统中，TM6螺旋位于细胞外侧远离TM5的位置，这导致容纳更多水分子的更大口袋。因此，在非活性apo受体系统的模拟轨迹中，只有14.1%的轨迹观察到活性apo受体系统中连接Asp1163×32、Thr1213×37和Ser1995×43的氢键网络。
为了确定5-羟色胺泛痛觉的基础，研究人员对5-HT1A、5-HT1D和5-HT1E结构进行了两两比较。5-HT与5-HT1A和5-HT1D具有非常相似的亲和力，pKi值分别为8.4和8.5 28。通过与5-HT1A和5-HT1D结构中5-HT的结合模式进行比较，发现5-HT在5-HT1A和5-HT1D中采用了几乎重叠的构象，突变研究进一步支持了这一结果。组成5-HT结合囊的残基在5-HT受体之间具有中到高的序列保守性。在所有12个5-HT gpcR中，22个配体口袋残基中只有8个，而其他14个残基因受体而异。总之，这表明5-HT的所有部分都可以与12个5-HT-GPCR亚型形成不同的相互作用，从而证明GPCR可以与具有相似亲和力和功能反应的同一内源性配体相互作用，从而为5-HT的泛兴奋性提供了基础。
综上所述，该研究团队报告了5-HT受体-G蛋白复合物的五种结构：5-HT1A处于载脂蛋白状态，与5-HT结合或与抗精神病药物阿立哌唑结合，5-HT1D与5-HT结合，5-HT1E与5-HT1E-和5-HT1F-选择性激动剂BRL-54443的复合物。并发现磷脂酰肌醇4-磷酸存在于G-蛋白-5-HT1A界面，并且能够增加5-HT1A介导的G-蛋白活性。而且受体跨膜结构域被胆固醇分子包围，特别是在5-HT1A的情况下，其中胆固醇分子直接参与形成决定阿立哌唑特异性的配体结合囊。在载脂蛋白-5-HT1A的配体结合囊中有模拟5-HT激活受体的结构水分子。这些研究结果解决了一个长期存在的问题，即脂质和水分子如何调节G蛋白偶联受体，揭示了5-HT如何作为一种泛激动剂，并确定了5-HT受体中药物识别的决定因素。
参考文献:
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