Nature背靠背：我国学者解析“冰毒”与其受体TAAR1的分子识别机制及受体的药理机制发表时间：2024-02-20 10:13 01 「 第一篇」 甲基苯丙胺（METH，冰毒的主要成分）滥用对人类健康和社会秩序产生严重危害，而目前尚无FDA批准的药物用于治疗METH成瘾。因此，研究METH与其靶点蛋白的相互作用的分子机制对于开发治疗药物成瘾的新药具有关键意义。METH成瘾主要通过调控多巴胺释放和再摄取产生作用，这个机制已得到广泛认可。最新研究显示，METH可以直接与痕量胺相关受体（TAAR1）结合并激活受体下游的G蛋白信号通路，该相互作用可能成为研究METH在体内进行信号转导的关键节点。此外，TAAR1被认为在调节METH以及其他胺类分子（如内源性苯乙胺）以及精神分裂症等疾病临床候选药物分子的神经生物效应中发挥着关键作用。因此，通过结构生物学研究手段深入探究METH以及其他胺类分子与TAAR1之间的相互作用机制，有望为治疗药物成瘾和研发新型抗精神类药物提供重要的推动力。 2023年11月7日，中国科学院上海药物研究所的徐华强团队联合上海科技大学iHuman研究所的徐菲课题组、分子卓越创新中心的汪胜团队以及上海市刑事科学技术研究院，在Nature杂志上以“文章加速预览（Accelerated Article Preview，AAP）”形式在线发表了题为Recognition of methamphetamine and other amines by trace amine receptor TAAR1的最新研究成果。
TAAR1是一种G蛋白偶联受体，主要分布在大脑中，能够识别多种生物胺类物质，包括内源物质β-苯乙胺（β-PEA），并参与神经递质的调节。与其他痕量胺受体不同，TAAR1主要分布在大脑的单胺能核团及其投射区，例如多巴胺能的腹侧被盖区和黑质致密部，5-羟色胺能的中缝核，以及谷氨酸能的皮质、杏仁核等脑区。这与TAAR1在调节奖赏回路、边缘系统、认知过程和情感状态等方面的关键作用高度一致。因此，TAAR1的独特生理功能与多种精神疾病和药物成瘾密切相关。已经证明TAAR1激动剂对治疗精神分裂症、抑郁症和药物成瘾具有潜力。 在该项研究中，研究人员利用冷冻电镜技术首次确定了人源TAAR1-Gs蛋白复合物分别与METH、内源配体β-PEA，以及选择性激动剂RO5256390和临床候选药物SEP-363856激活后的高分辨率结构 (图1)。通过结构分析，研究人员发现METH定位在TAAR1的正构结合口袋中，主要通过与第103的天冬氨酸和294位的酪氨酸形成的极性相互作用来特异性地与TAAR1结合 (图2a-b)。此外，配体结合口袋及其周围所形成氢键网络有助于稳定配体与TAAR1的相互作用 (图2b-c)。TAAR1中的第二个胞外环（ECL2）形成较特殊的“盖子”结构，并利用与其他单胺类受体差异较大的第186位苯丙氨酸以及其他疏水氨基酸直接或间接参与配体相互作用，形成TAAR1特有的分子识别机制 (图2a)。与内源配体β-PEA相比，METH与关键残基第103位的天冬氨酸和107位的丝氨酸的极性相互作用较弱，导致其与TAAR1的亲和力下降，这可能是β-PEA比METH更高效结合TAAR1的结构基础 (图2d)。研究还通过分子动力学模拟以及系统的突变与功能实验验证了上述结论。
此外，研究还解析了其他具有临床研究潜力的药物，如双靶点胺类化合物SEP-363856（临床候选药物，又名Ulotaront）和TAAR1选择性激动剂RO5256390，分别激活TAAR1的复合物结构，揭示了这两个化合物分别在多重药理学和选择性作用中的分子机制 (图1)。例如，SEP-363856对TAAR1和5-HT1A受体均具有激动剂活性，但对TAAR1的激活效能更高。结构比对分析发现，尽管两者的结合口袋存在一定的相似性，但TAAR1特有的极性相互作用网络有助于增强SEP-363856的亲和力 (图2e)。RO5256390对TAAR1的高亲和力和高度选择性的分子机制在于其2-胺基噁唑基团与TAAR1结合口袋的氨基酸残基形成额外的相互作用，而在5-HT1A受体的结合口袋中则会引起位阻 (图2f) 。这些发现为精准设计新型药物提供了理论基础。
图2，TAAR1复合物的结构分析和功能验证（a）METH定位于TAAR1受体的正构结合口袋;（b-c）TAAR1结构中的氢键网络稳定配体和第103位天冬氨酸,第294位酪氨酸的相互作用（b）及其功能验证（c）;（d）METH和β-PEA在TAAR1结合口袋中的相互作用差异；（e）SEP-363856激活TAAR1受体和5HT1A受体的相互作用比较; （f）结构比对表明RO5256390在5-HT1A受体的结合口袋中会引起位阻，因而难以激活5-HT1A受体。 综上而言，这项研究代表了METH研究领域的一个里程碑，其研究成果将带动一系列广泛和深远的影响，有望开辟一个超越经典神经递质如5-羟色胺和多巴胺的生物胺研究新领域。这项研究系统性地揭示了METH和其他胺类化合物与TAAR1相互作用的关键结构要素，为治疗药物成瘾和神经精神疾病的新药研发提供了坚实的基础。同时，TAAR1作为单胺类系统的最后一个未解析结构的受体，该研究填补了现有胺能受体结构领域的空白，对于理解单胺类系统的药效学研究具有重要意义，有望推动新一代更有效药物的开发。 甲基苯丙胺（METH）是一种合成药物，在20世纪早期被广泛用于治疗鼻塞、哮喘、肥胖以及嗜睡等症状。然而，随着METH的成瘾特性显现和滥用，导致它被医学应用中逐渐淘汰反而进入地下市场，成为被广泛滥用的毒品之一，通常被称为“冰毒”或“猪肉”等。类似情况也出现在其他药物上，如吗啡和芬太尼，它们作为强效的阿片类药物被广泛应用于临床镇痛治疗。然而，长期使用这些药物不仅会导致药物耐受，还容易引发药物依赖、戒断反应和滥用问题。尽管METH、吗啡和芬太尼在成瘾性和对中枢神经系统的影响方面存在相似之处，但它们在药物类别、化学结构和临床用途上存在重要差异。这些药物的使用必须在专业医疗监督下进行，以确保安全性和合理用药，同时减少滥用和成瘾的风险。 值得一提的是，上海药物研究所的徐华强团队长期致力于研究与药物成瘾相关的科学问题。他们在2022年和2023年分别与国内外顶尖团队合作，在Cell杂志上发表了两篇重要文章，系统地阐述了阿片受体与多种小分子镇痛药和内源性阿片肽之间的作用机制，为相关研究领域提供了坚实的结构药理学基础。这些工作突出了徐华强研究员及其团队在解决与药物成瘾有关的重要科学问题方面的杰出工作。
上海药物研究所刘恒博士、王悦博士、上海科技大学2023届博士毕业生郑优，分子卓越创新中心博士研究生王雨朦为该论文的共同第一作者。徐华强研究员、徐菲研究员、汪胜研究员，刘文斌研究员为共同通讯作者。
科学插图，展示了TAAR1受体在大脑中识别成瘾药物 METH 分子的结构基础 原文链接： www.nature/com/articles/s41586-023-06775-102 「第二篇」 神经递质-受体信号调节网络是机体维持稳态的关键机制，多巴胺、去甲肾上腺素和血清素等神经递质参与调控认知、情感与意识等生理过程，其信号网络的功能异常与精神神经性疾病的发生发展密切相关。如2000年诺贝尔医学奖获得者Arvid Carlsson教授发现多巴胺的水平异常与帕金森病发生发展有关；血清素与抑郁症和注意力缺陷等疾病有关。以精神分裂症和抑郁症为代表的精神类重大慢病已成为我国公共卫生领域的重大挑战。当前药物并不能满足临床需求，当前一些神经类活性物质，比如氯胺酮（ketamine），再次受到了基础研究和临床研究的关注。针对精神分裂症等疾病，发现靶向关键靶标“magic pill”药物是当今研究的难点。 二十世纪末期，有一类内源性痕量胺（endogenous trace amines, ETAs）被发现，比如β-苯乙胺（β-PEA）和3-碘甲状腺素（T1AM），在化学结构上具有与多巴胺等神经递质相似的氨基基团，并广泛分布于机体的大脑和外周神经组织中，参与调控神经与代谢等生理功能。直到2001年，痕量胺相关受体（Trace amine-associated receptors，TAARs）被鉴定出来能够识别一类ETAs, 更重要的是，这类受体能够被安非他命（AMPH）类神经活性物质激活，调控中枢神经系统多巴胺和血清素神经环路。近年来，TAAR1已成为治疗精神类疾病潜在靶点（图一），与靶向多巴胺受体DRD2的抗精神病药物不同，靶向TAAR1的新型抗精神病药物对精神分裂症的阳性和阴性症状均表现出积极作用。处于临床三期试验的TAAR1激动剂SEP-363856（Ulotaront）曾于2019年被美国FDA认定为突破性疗法。因此，理解多种类型配体与TAAR1识别的药理机制和信号转导机制为设计新型靶向药物提供新的思路。
图一, TAAR1响应不同配体激活介导下游G蛋白信号示意图。 2023年11月7日，来自四川大学华西医院生物治疗全国重点实验室邵振华/颜微和山东大学孙金鹏/于晓联合团队在Nature上发表了文章“Ligand recognition and G protein coupling of trace amine receptor TAAR1”。在该研究中，团队首先对内源性生物胺、临床抗精神病药物以及神经活性药物安非他命激活TAAR1多种G蛋白信号的药效能力进行了系统性表征。并基于生化与细胞生物学实验技术手段，结合单颗粒冷冻电镜技术，探究了内源性配体3-碘甲状腺素（T1AM）和药物（SEP-363856、RO-6889450、安非他命）与人源hTAAR1和鼠源mTAAR1的药物作用机制，发现了TAAR1受体中药物识别口袋的可塑性；基于新机制，筛选获得靶向TAAR1的新配体；结合受体突变实验，阐明了TAAR1激活Gs/Gi信号的不同途径，该研究为靶向TAAR1的药物开发提供了非常重要的理论基础。
该研究主要发现包括： 1. 内源生物胺与药物激活TAAR1的药效机制与新型配体筛选 为了研究TAAR1与配体的药理学机制，该研究团队探索了一些列内源性生物胺（比如）、临床药物等激活TARR1的多种G蛋白信号途径（图二a-b）。基于药物分子的构效关系，我们筛选了一系列相关化合物配体库，发现了儿茶酚胺类药物Fenoldopam和A77363（两者均是多巴胺受体的激动剂）能够激活hTAAR1（图二c-d）。不难发现，该类化合物分子具有与β-苯乙胺（β-PEA）相似的核心药效基团（图二a）。 图二 配体激活TAAR1的信号通路与药物筛选。a, b. 多种生物胺（a）激活hTAAR1和mTAAR1的G蛋白信号（b）；c. TAAR1的潜在靶向药物筛选（c）；d. β-PEA，SEP-363856，fenoldopam和A77636激活hTAAR1-Gs信号介导的cAMP积累差异。 进一步，如图三所示，我们发现内源性生物胺和安非他命结合在受体的核心口袋（1和2），此外，临床药物RO-6889450又占据了受体中新型隐式位点-3，儿茶酚胺类药物Fenoldopam占据了受体中新型隐式位点-4，该发现阐明了TAAR1的口袋可塑性，解释了多样性配体识别的药理学机制。
2. 安非他命异构体与TAAR1识别的药理学差异 安非他命早期被认为通过结合多巴胺转运体，参与多巴胺能神经系统的功能调控，具有镇定，振奋人心的药效。而随着TAAR1的鉴定和研究，安非他命被发现是TAAR1的配体，有意思的是，很多研究表明其不同的旋光异构体（S-和R-AMPH）靶向hTAAR1与mTAAR1具有不同的体外和体内药理学活性，其相关分子机制至今不清楚。结合三维结构信息，研究团队通过大量的突变实验和细胞生物学实验，发现hTAAR1与mTAAR1中的hV184/mP183ECL2和hI290/mY2877.39在安非他命异构体特异性识别上发挥了关键作用，揭开了领域内难题。同时，针对人源和鼠源TAAR1响应同一配体的药理学差异问题，本研究也展开了分析与讨论，为基于小鼠模型为代表的药物临床前研究提供了临床转化见解。 图四， (S)-/(R)-型安非他命激活hTAAR1与mTAAR1的药效机制。 3. SEP-363856的多重药理学机制 抗精神分裂症的经典药物大多数作用于多巴胺受体，而SEP-363856作为非多巴胺受体的新一代抗精神病临床药物，在药物研发历史上具有重要的里程碑意义。研究表明SEP-363856作为TAAR1的完全激动剂和5-HT1AR的部分激动剂，该研究探索了SEP-363856对TAAR1与 5-HT1AR双靶点的作用机制，揭示了两类受体中的通用识别基序；进而发现了TAAR1中的 F186对SEP-363856的识别和受体激活起关键作用（图五），相对应，5-HT1AR中的 K191对SEP-363856的识别并未有影响。 图五， SEP-363856激活hTAAR1和5-HT1AR的分子机制。 据悉，四川大学华西医院博士后徐政、山东大学郭璐璐研究员、四川大学博士生于靖靖、博士后申思远、博士生吴超、山东大学研究生张伟峰以及四川大学博士生赵畅为本文的共同第一作者；邵振华研究员、颜微研究员、孙金鹏教授、徐云飞教授和于晓教授为本论文共同通讯作者。另外，中科院长春应化所王晓辉教授、四川大学华西医院魏于全院士和杨胜勇教授为本研究提供了重要帮助。 声明：此篇为机构组织模板原创文章，转载请标明出处链接：http://gyyzdzlxh.com/sys-nd/98.html
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