2024年8月1日，上海药物所徐华强课题组与分子细胞卓越中心-国科大杭高院汪胜课题组合作在Neuron上发表文章“Structural basis of psychedelic LSD recognition at dopamine D1 receptor”。该研究通过解析致幻剂LSD在其靶点多巴胺D1受体（D1R）的结构，结合系统性的药理学研究，阐明了LSD在不同靶点中的动力学特征及其对信号转导产生的影响。此外，该研究还以D1R为模型证明了G蛋白对受体的稳定作用不仅作用于胞内侧高度动态的TM6和TM5还作用于胞外侧高度动态ECL2区域，这些稳定作用进一步影响LSD结合受体的动力学特征。
在世界许多早期文明中，巫师及古代宗教通过使用致幻剂使人产生强烈幻觉，从而控制信众，其使用可上溯至新石器时代。致幻剂既有天然来源的生物碱，如麦司卡林、裸盖菇素、大麻素等，也包括人工合成的化合物。其中，人工合成致幻剂LSD（麦角酸二乙酰胺）以其强烈的作用效果而闻名于世，被各国严格管控。尽管LSD等致幻剂被普遍认为仅具有致幻作用且存在一定不良影响，但后续的临床研究表明，这些药物对难治性抑郁症和酒精成瘾等精神障碍展现出巨大的治疗潜力【1】。通常情况下，药物在体内是否能持续发挥药效的关键因素除了其对靶点是否具有高亲和力外，还体现其在靶点上的停留时间。LSD等经典致幻剂都具有复杂的药理学特征，靶向众多的G蛋白偶联受体（GPCR）【2】。研究表明，LSD在5-HT2AR（其精神活性的主要靶点）和血清素2B受体（5-HT2BR）中表现出缓慢的解离速度【3,4】，这可能是其发挥长效幻觉体验的基础，但对于LSD其他靶点的动力学信息依然匮乏，其是否具有快速解离特征，以及此快速解离特征是否介导了短期药效仍未知晓。多巴胺受体D1R是中枢神经系统中表达最丰富的多巴胺受体亚型，对记忆、学习和认知至关重要。LSD对 D1R表现出中等结合亲和力，其激活与LSD的致幻作用相关，例如离身和认知受损。此外，LSD需要激活D1R才能引起头部摆动，而D1R拮抗剂SCH23390可以阻断这种现象。因此，确定LSD与D1R的互作机制对于全面了解其药理功能至关重要。
此外，GPCR具有高度动态性，受体中配体表现出的动力学特征在一定程度上与受体本身的动力学特征密切相关。GPCR激活的普遍特性是受体跨膜螺旋5（TM5）和跨膜螺旋6（TM6）的胞内段向外摆动，而G蛋白的结合进一步稳定此活性构象。然而，下游信号蛋白的结合对受体细胞外结构域即配体结合口袋处动力学的影响仍不明确，特别是具有高度动态性的第二个胞外环（ECL2）的影响，以及这些影响对于药物结合解离动力学的贡献。这也就意味着，受体动力学特征与配体动力学的关系仍不清楚。
在该项研究中，研究人员筛选并改造得到了一个与活化状态D1R相互作用的纳米抗体NBA3，药理学研究表明NBA3是一个在D1R中模拟β-arrestin信号特征的纳米抗体。在NBA3的辅助下，研究人员利用冷冻电镜技术解析了LSD结合的D1R的结构，明确了LSD的结合特征。与血清素2A/2B受体不同，LSD在D1R中具有独特结合模式，具体表现为其麦角碱骨架朝向受体跨膜螺旋4（TM4）。此外，结构信息还揭示了GPCR下游效应蛋白G蛋白与β-arrestin偶联受体的作用方式异同，具体表现为虽然它们都结合在受体的胞内侧核心区域（core region），但G蛋白与受体的偶联依赖于电荷互斥作用，而β-arrestin则依赖于电荷互吸作用。
动力学研究结果表明，与LSD在血清素2A/2B受体中的缓慢解离速度不同，LSD在D1R中的解离速度异常快，这归因于受体ECL2的高度动态性。此外，以D1R为模型，研究人员通过同位素竞争结合实验以及分子动力学模拟实验发现，只有G蛋白，而不是β-arrestin，才能稳定受体高度动态的ECL2区域，从而显著减慢LSD的解离速度。这一观察结果与既定概念相一致，即GPCR的激活始于G蛋白稳定受体，促进下游信号传导，随后β-arrestin被募集以使受体脱敏，信号终止。G蛋白和β-arrestin对受体动力学的这种差异调节反过来作用于配体动力学本身，导致LSD诱发的幻觉体验变化。
具体而言，LSD能够长时间与血清素2A/2B受体结合，这可能是其具有更持久作用效果的基础，而其与多巴胺受体的短暂结合将导致其更短时间的作用效果。总结而言，研究人员证实区别于β-arrestin，G蛋白通过稳定受体胞内侧TM6和TM5以及胞外侧ECL2共同使得受体维持在其稳定状态，进而对配体动力学产生一定的调控，具体表现为配体在受体中的停留时间延长，配体与受体之间的亲和力增强，很大程度上贡献了配体的高效能药效。
综上所述，这项研究解析了LSD与其靶点D1R的独特结合模式，丰富了LSD在不同靶点中的动力学特征，揭示了GPCR受体动力学与配体动力学的调控机制，为进一步研究GPCR的动力学、信号传导和药理学的功能意义奠定了基础，加速了具有特定动力学特征化合物的研发。
GPCR受体动力学与配体动力学调控关系
国科大杭州高等研究院博士后樊鲁玉，上海交通大学医学院庄友文研究员（原上海药物所徐华强团队副研究员），中国科学院分子细胞科学卓越创新中心博士研究生吴鸿宇以及上海科技大学博士研究生黎慧琼为该论文共同第一作者。分子细胞卓越中心-国科大杭高院汪胜研究员、上海药物所徐华强研究员以及国科大杭高院博士后樊鲁玉为该论文的共同通讯作者。
全文链接
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2024.07.003
上海药物所徐华强团队长期专注于多巴胺受系统的结构药理学研究，并在近年来取得了一系列突破性成果。
2021年2月，徐华强团队联合匹兹堡大学张诚教授、北卡罗来纳大学教堂山分校Bryan Roth教授，以及浙江大学张岩教授等在Cell杂志以封面文章形式发表研究成果，报道了D1R选择性激动剂SKF81297或SKF83959和泛激动剂阿扑吗啡，以及D2R选择性抗PD药物溴隐亭分别与D1R和D2R结合的结构，首次表征了D1R这一重要抗神经系统疾病药物靶点，揭示了多巴胺受体D1R与D2R的配体和G蛋白选择性机制 (Zhuang et al. Cell，2021) ；在Molecular Cell上发表了首个激活态多巴胺受体D3R分别与帕金森病治疗药物普拉克索和小分子激动剂PD128907结合的结构，揭示了配体选择性识别和激活D3R的分子机制 (Xu et al. Mol Cell，2021) ；
Cell | 上海药物所徐华强课题组合作首次揭示激活态多巴胺受体D1R和D2R配体选择性和G蛋白选择性的机理
Molecular Cell｜ 上海药物所徐华强课题组合作揭示多巴胺受体D3配体选择性和激活Gi的结构基础
2021年3月9日，徐华强团队联合北卡罗来纳大学教堂山分校Bryan Roth教授和浙江大学张岩教授在Cell Research上发表了首个D1R与正性变构调节剂LY3154207的复合物结构，揭示了多巴胺受体D1R的正性变构调节新靶点和潜在变构机制 (Zhuang et al. Cell Research，2021) ；
Cell Res | 上海药物所徐华强课题组合作揭示多巴胺受体D1R与多巴胺结合特性以及潜在变构调节机制
2023年5月23日，徐华强团队联合联合北卡罗来纳大学教堂山分校Bryan Roth教授和浙江大学张岩教授在Cell Research杂志上发表了最新研究成果，以抗帕金森药物rotigotine为研究对象，通过获得和分析rotigotine与所有DRs亚型（D1R-D5R）的结合模式和药理功能数据，揭示了rotigotine对不同DRs亚型表现不同程度的选择性以及产生多重药理活性背后的分子机理 (Xu et al. Cell Research，2023) 。
Cell Res | 上海药物所合作揭示多巴胺受体系统介导药物分子多重药理学活性的结构基础
本项成果是徐华强团队在多巴胺受体结构药理领域的又一重要进展。这些系统性的多巴胺受体研究极大地丰富了对多巴胺系统结构与药理功能的认识，为帕金森病、精神分裂症、抑郁症等疾病药物研发奠定了坚实的理论基础。
参考文献
1.Jaster, A. M., de la Fuente Revenga, M. & Gonzalez-Maeso, J. Molecular targets of psychedelic-induced plasticity. J Neurochem 162, 80-88, doi:10.1111/jnc.15536 (2022).
2.Lewis, V. et al. A non-hallucinogenic LSD analog with therapeutic potential for mood disorders. Cell Rep 42, 112203, doi:10.1016/j.celrep.2023.112203 (2023).
3.Wacker, D. et al. Crystal Structure of an LSD-Bound Human Serotonin Receptor. Cell 168, 377-389 e312, doi:10.1016/j.cell.2016.12.033 (2017).
4.ao, D. et al. Structure-based discovery of nonhallucinogenic psychedelic analogs. Science 375, 403-411, doi:10.1126/science.abl8615 (2022).
供稿部门 | 徐华强课题组
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