甲基苯丙胺（METH，冰毒的主要成分）是一種合成藥物，在20世紀(jì)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(xiàn)和濫用，導(dǎo)致它被醫(yī)學(xué)應(yīng)用中逐漸淘汰反而進(jìn)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(zhǔn)的藥物用于治療METH成癮。因此，研究METH與其靶點(diǎn)蛋白的相互作用的分子機(jī)制對于開發(fā)治療藥物成癮的新藥具有關(guān)鍵意義。
METH成癮主要通過調(diào)控多巴胺釋放和再攝取產(chǎn)生作用，這個機(jī)制已得到廣泛認(rèn)可。最新研究顯示，METH可以直接與痕量胺相關(guān)受體（TAAR1）結(jié)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(nèi)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。此外，TAAR1被認(rèn)為在調(diào)節(jié)METH以及其他胺類分子（如內(nèi)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(jīng)生物效應(yīng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此，通過結(jié)構(gòu)生物學(xué)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(jī)制，有望為治療藥物成癮和研發(fā)新型抗精神類藥物提供重要支撐。
2023年11月7日，中國科學(xué)院上海藥物研究所的徐華強(qiáng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海科技大學(xué)iHuman研究所的徐菲課題組、分子卓越創(chuàng)新中心的汪勝團(tuán)隊(duì)以及上海市刑事科學(xué)技術(shù)研究院，在《Nature》雜志上以“文章加速預(yù)覽（Accelerated Article Preview，AAP）”形式在線發(fā)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(lián)受體，主要分布在大腦中，能夠識別多種生物胺類物質(zhì)，包括內(nèi)源物質(zhì)β-苯乙胺（β-PEA），并參與神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié)。與其他痕量胺受體不同，TAAR1主要分布在大腦的單胺能核團(tuán)及其投射區(qū)，例如多巴胺能的腹側(cè)被蓋區(qū)和黑質(zhì)致密部，5-羥色胺能的中縫核，以及谷氨酸能的皮質(zhì)、杏仁核等腦區(qū)。這與TAAR1在調(diào)節(jié)獎賞回路、邊緣系統(tǒng)、認(rèn)知過程和情感狀態(tài)等方面的關(guān)鍵作用高度一致。因此，TAAR1的獨(dú)特生理功能與多種精神疾病和藥物成癮密切相關(guān)。已經(jīng)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(xiàng)研究中，研究人員利用冷凍電鏡技術(shù)首次確定了人源TAAR1-Gs蛋白復(fù)合物分別與METH、內(nèi)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(jié)構(gòu) (圖1)。通過結(jié)構(gòu)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)METH定位在TAAR1的正構(gòu)結(jié)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(jié)合(圖2a-b)。此外，配體結(jié)合口袋及其周圍所形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)有助于穩(wěn)定配體與TAAR1的相互作用(圖2b-c)。TAAR1中的第二個胞外環(huán)（ECL2）形成較特殊的“蓋子”結(jié)構(gòu)，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(jī)制 (圖2a)。與內(nèi)源配體β-PEA相比，METH與關(guān)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(dǎo)致其與TAAR1的親和力下降，這可能是β-PEA比METH更高效結(jié)合TAAR1的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)(圖2d)。研究還通過分子動力學(xué)模擬以及系統(tǒng)的突變與功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述結(jié)論。
圖1，四種 TAAR1 激動劑激活 TAAR1 的功能評估及 TAAR1-Gs，5HT1A-Gi復(fù)合物的整體結(jié)構(gòu)。（a）四種TAAR1激動劑的結(jié)構(gòu)式（b）四種配體激活TAAR1的功能評估（c-d）TAAR1-Gs，5HT1A-Gi復(fù)合物的整體結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示了這兩個化合物分別在多重藥理學(xué)和選擇性作用中的分子機(jī)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(jié)構(gòu)比對分析發(fā)現(xiàn)，盡管兩者的結(jié)合口袋存在一定的相似性，但TAAR1特有的極性相互作用網(wǎng)絡(luò)有助于增強(qiáng)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(jī)制在于其2-胺基噁唑基團(tuán)與TAAR1結(jié)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(jié)合口袋中則會引起位阻(圖2f)。這些發(fā)現(xiàn)為精準(zhǔn)設(shè)計(jì)新型藥物提供了理論基礎(chǔ)。
圖2，TAAR1復(fù)合物的結(jié)構(gòu)分析和功能驗(yàn)證（a）METH定位于TAAR1受體的正構(gòu)結(jié)合口袋;（b-c）TAAR1結(jié)構(gòu)中的氫鍵網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)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(yàn)證（c）;（d）METH和β-PEA在TAAR1結(jié)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(jié)構(gòu)比對表明RO5256390在5-HT1A受體的結(jié)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(xiàng)研究代表了METH研究領(lǐng)域的一個里程碑，其研究成果將帶動一系列廣泛和深遠(yuǎn)的影響，有望開辟一個超越經(jīng)典神經(jīng)遞質(zhì)如5-羥色胺和多巴胺的生物胺研究新領(lǐng)域。這項(xiàng)研究系統(tǒng)性地揭示了METH和其他胺類化合物與TAAR1相互作用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)要素，為治療藥物成癮和神經(jīng)精神疾病的新藥研發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時，TAAR1作為單胺類系統(tǒng)的最后一個未解析結(jié)構(gòu)的受體，該研究填補(bǔ)了現(xiàn)有胺能受體結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的空白，對于理解單胺類系統(tǒng)的藥效學(xué)研究具有重要意義，有望推動新一代更有效藥物的開發(fā)。
值得一提的是，上海藥物研究所的徐華強(qiáng)團(tuán)隊(duì)長期致力于研究與藥物成癮相關(guān)的科學(xué)問題。他們在2022年和2023年分別與國內(nèi)外頂尖團(tuán)隊(duì)合作，在《Cell》雜志上發(fā)表了兩篇重要文章，系統(tǒng)地闡述了阿片受體與多種小分子鎮(zhèn)痛藥和內(nèi)源性阿片肽之間的作用機(jī)制，為相關(guān)研究領(lǐng)域提供了堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)藥理學(xué)基礎(chǔ)。這些工作突出了徐華強(qiáng)研究員及其團(tuán)隊(duì)在解決與藥物成癮有關(guān)的重要科學(xué)問題方面的杰出工作。
本研究中的冷凍電鏡數(shù)據(jù)由上海藥物所高峰電鏡中心和上海科技大學(xué)生物電鏡平臺收集。上海藥物研究所劉恒博士、王悅博士、上海科技大學(xué)2023屆博士畢業(yè)生鄭優(yōu)，分子卓越創(chuàng)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(qiáng)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(xiàng)研究獲得了包括中國科技部、國家自然科學(xué)基金、上海市科技重大專項(xiàng)、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等經(jīng)費(fèi)的資助。
全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06775-1 相關(guān)文章：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01260-0 https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.12.026（供稿部門：徐華強(qiáng)課題組；供稿人員：劉恒）
科學(xué)插圖，展示了TAAR1受體在大腦中識別成癮藥物 METH 分子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
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