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張巖課題組Molecular Cell 合作發文揭示多巴胺受體D3配體選擇性和激活Gi的結構基礎

編輯:林海燕 來源:基礎醫學系 時間:2021年02月18日 訪問次數:10  源地址

多巴胺(dopamine, DA)是人體中樞神經系統和周圍神經系統的主要神經遞質之一,通過結合多巴胺受體發揮眾多重要的生理功能,包括調控學習、記憶和認知,調節情緒和控制運動等。多巴胺受體屬于G蛋白偶聯受體(G protein-coupled receptor, GPCR)超家族,包含有D1R到D5R共五個受體成員,其中D1R和D5R兩個亞型偶聯激活型G蛋白(Gs),而D2R、 D3R和D4R通過激活抑制型G蛋白(Gi)發揮其生物學功能。多巴胺信號轉導的失衡和改變是導致多種精神類疾病的原因之一,這些疾病包括帕金森癥(parkinson's disease)、精神分裂癥、圖雷特氏綜合癥和亨廷頓氏病等。作為多巴胺受體中重要的成員,D3R是當前帕金森病、藥物成癮和精神分裂等疾病的熱門靶點。臨床用于帕金森病治療的藥物多為D2R和D3R的激動劑,如臨床獲批用于帕金森病和不安腿綜合征(Willis-Ekbom?。┲委煹钠绽怂鳎╬ramipexole)等。普拉克索和小分子激動劑PD128907均能激活D2R和D3R,尤其對D3R亞型表現出優于D2R和D4R的選擇性。多年以來,以抗帕金森疾病藥物為代表的大部分多巴胺受體激動劑都是以分布更為廣泛的D1R和D2R為藥物靶點。但是,越來越多的研究表明:D3R更集中地分布在大腦中某些對精神疾病極為關鍵的部位,例如腹側紋狀體,包括伏隔核,丘腦,海馬體和皮質。實際上,內源性配體多巴胺和大部分用于臨床治療的多巴胺受體激動劑藥物,都表現出對D3R亞型更高的親和力。這些都表明D3R受體在精神疾病的發生發展和藥物開發中的重要地位和價值。通過對D3R受體進行結構藥理學研究揭示配體選擇性的分子機制對理解D3R激活和設計高效低毒的多巴胺受體靶向藥物具有重要的理論意義和應用價值。目前盡管已有若干多巴胺受體亞型的高分辨率結構獲得解析,包括D2R,D3R和D4R與拮抗劑結合復合物的晶體結構和D2R與激動劑復合物的冷凍電鏡結構等。然而,D3R與激動劑結合復合物結構仍未獲得解析,極大地限制了人們對D3R配體識別和受體激活機制的理解,成為了制約基于結構的靶向D3R受體藥物研發的瓶頸。

2021年2月5日,浙江大學基礎醫學院與浙江省良渚實驗室張巖研究員,聯合中國科學院上海藥物研究所徐華強研究員和程曦副研究員以及北卡羅來納大學教堂山分校Bryan L. Roth教授等共同在Molecular Cell雜志上在線發表了他們最新的研究成果“Structures of the human dopamine D3 receptor-Gi complexes”,首次解析了D3R分別與帕金森病治療藥物普拉克索和小分子激動劑PD128907,以及抑制型Gi蛋白復合物的高分辨率冷凍電鏡結構,揭示了配體選擇性識別和激活D3R的分子機制。

研究團隊采用單顆粒冷凍電鏡分別對帕金森病治療藥物普拉克索和小分子激動劑PD128907激活D3R后形成的復合物分別進行了結構重塑,最終解析了D3R在兩種配體激活情況下與Gi蛋白的復合物結構。其中,普拉克索與D3R-Gi復合物結構的分辨率為3.0 ?;PD128907與D3R-Gi復合物結構的分辨率達到了2.7 ?,代表了當前A型GPCR冷凍電鏡結構研究的最高解析度(圖1)。

圖1. D3R-Gi復合物的冷凍電鏡結構

通過比對D3R受體分別與普拉克索和PD128907兩種激動劑結合的結構細節,研究團隊發現了兩種小分子激動劑與受體結合具有明顯的特征區別;通過與D2R和D4R激活結構的比對分析發現,結合口袋中TM6上的6.55位組氨酸的空間位置是決定配體對多巴胺受體亞型D2R、D3R和D4R選擇性的決定性因素;研究同時對多巴胺受體各亞型偶聯下游Gs和Gi選擇性的機制進行了探討,發現受體TM6上的三個特定位置的差異殘基(6.31, 6.36和6.38位)是導致不同多巴胺受體亞型選擇性偶聯Gs或Gi的決定因素;研究進一步發現,D3R與其他Gi偶聯GPCR類似,均通過高度相似的靜電相互作用類型偶聯下游Gi蛋白;此外,研究揭示了多巴胺受體偶聯Gi和Go這兩類高度保守的G蛋白類型選擇偏向性的分子基礎。D3R具有Go蛋白的選擇偏向性,而D2R對Gi蛋白具有更高的選擇性。通過對D2R和D3R的結構觀察發現,D3R的TM6相對D2R更具剛性,擺動幅度更小,導致產生了更小尺寸的跨膜螺旋胞內口袋,而Go蛋白相對Gi具有相對更小的氨基酸側鏈,因此D3R較D2R表現出更為顯著的Go蛋白偶聯偏向性。

圖2 配體對D2R、D3R和D4R亞型選擇性的分子機制

綜上所述,團隊利用單顆粒冷凍電鏡技術首次解析了選擇性D3R激動劑、D3R受體與效應G蛋白的復合物結構,從而在原子分辨率上詳細闡釋了D3R受體選擇性識別配體,被激活后與G蛋白偶聯的分子機制。該成果闡述了多巴胺受體D3R配體識別選擇性和激活機制等重要的生物學問題,也為開發以多巴胺受體為靶標的選擇性藥物提供了重要的結構模型。

冷凍電鏡數據在浙江大學冷凍電鏡中心收集。研究工作同時得到了中國科學院上海藥物研究所蔣華良院士和余學奎研究員,以及美國溫安洛研究所的Karsten Melcher教授的幫助。上海藥物研究所與浙江大學基礎醫學院聯合培養博士生徐沛雨、上??萍即髮W與上海藥物所聯合培養博士生黃思婕、浙江大學基礎醫學院博士后毛春友和北卡羅來納大學教堂山分校的Brian E. Krumm為本文共同第一作者。浙江大學基礎醫學院為第一完成單位。該工作獲得了上海市高峰人才計劃、科技部重點研發、國家自然基金委、浙江省自然基金委等的資助。

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.01.003


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