計算藥學發現GPCR藥物分子全新結合模式與激活機制

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近年來，人們通過結構生物學、生物化學等手段發現金屬離子，尤其是鈉離子可以與GPCR第二跨膜螺旋上的一個保守的天門冬氨酸Asp（D2.50）結合，使得各個跨膜螺旋通過別構位點的(allosteric) 鈉離子緊密結合，進而促使GPCR穩定在非激活狀態。然而，也有報導表明：包括鈉離子在內的一些金屬離子，也可以使得GPCR的一些藥物分子的活性大大增強，GPCR下遊的信號通路也隨之增強。但直到目前為止，還尚不清楚此類現象的分子機理。

中國科學院深圳先進技術研究院（先進院）醫藥所計算機輔助藥物設計中心袁曙光課題組帶領團隊與上海科技大學合作，通過計算藥學與生物化學相結合的方法，發現G蛋白偶聯受體蛋白（GPCR）全新藥物分子結合模式與激活機制（圖一）。相關工作近期發表在化學類頂級期刊ACS Central Science上。第一單位為中科院深圳先進院，主要通訊作者為袁曙光，程建軍和武棟為共同通訊作者。第一作者為陳顯翀，徐越溟與譚亮為共同一作。

圖一. GPCR全新藥物分子結合模式

GPCR參與著人類各種生理功能，其中包括：細胞分化、神經信號傳遞、代謝等。GPCR也與人類重大疾病密切相關，包括：癌症、抑鬱症、疼痛、愛滋病、糖尿病等。GPCR是最主要的藥物靶標，將近40%的上市藥物都針對GPCR而開發（圖二）。因此，理解GPCR的分子機理成為當代藥物研發中的核心課題之一。

圖二. GPCR上市藥物統計

本課題由袁曙光牽頭，針對多巴胺D2受體，通過長時間尺度的全原子計算機模擬，首先捕獲了鈉離子與多巴胺D2受體第二跨膜螺旋上的一個保守的天門冬氨酸（D2.50）結合過程（圖三）。

圖三. 別構位點的鈉離子被計算機模擬所捕獲

接著，團隊通過計算機模擬了D2受體與其激動劑MLS1547在細胞膜生理環境下的狀態。計算機模擬結果顯示，在正構位點(orthosteric site)區域，一個新的鈉離子可以同時與D2受體上的組氨酸H393以及激動劑MLS1547芳環上的一個去質子化的酚羥基氧原子和一個叔氮原子形成配位鍵。此外，還有2個水分子也參與了與鈉離子的配位過程（圖四）。

圖四. 計算機模擬發現正構位點的鈉離子並揭示GPCR全新藥物分子結合模式

通過受體-藥物分子相互作用指紋圖譜，團隊確定了與MLS1457相互作用的關鍵性胺基酸，並引入胺基酸定點突變。突變實驗發現所有在指紋圖譜中的胺基酸突變後對藥物分子的活性影響非常巨大，甚至直接導致藥物分子失活。突變實驗強有力地佐證了計算機預測的新型結合模式的可靠性。值得一提的是，組氨酸H393並不直接與MLS1547相互作用，而是通過鈉離子共同形成配位鍵參與作用。H393的突變也直接導致了藥物分子完全失活，進一步有利佐證了這種全新藥物分子與GPCR結合模式的合理性（圖五）。此外，團隊還通過對酚羥基氧原子對位取代的原子進行了化學合成的改造和修飾。通過調節其pKa來大大增強或者降低藥物分子與D2受體的相互作用，從而進一步驗證了全新結合模式的可靠性。

圖五. 全新的藥物結合模式被定點突變所佐證

此外，團隊還重新解析了一個高解析度的鴉片受體的晶體結構。在此晶體結構當中，有一塊未被原作者確定的電子云密度圖 (unidentified electron density map)。團隊通過嘗試不同的原子模型和結構精修方法，以及考慮原作者實驗過程中離子的來源，最終確定該區域屬於一個鎂離子的原子模型。有意思的是，該鎂離子也處在正構位點區域，並同時與鴉片受體以及一個組氨酸HIS形成了配位鍵。這與團隊在本工作中D2受體中發現的鈉離子的相互作用方式非常相似。通過系統性地對GPCR的結構進行分析發現，在GPCR的正構位點區域，廣泛分布著組氨酸。這意味著，在正構位點區域通過金屬離子配位與GPCR殘基側鏈相互作用，極有可能可以在其他GPCR藥物設計中普遍實現（圖六）。

圖六. 組氨酸HIS在GPCR正構位點的分布情況

本工作首次發現了金屬離子可以在GPCR的正構位點與GPCR形成配位作用，揭示了GPCR激動劑的全新分子機理。基於該發現，團隊使得藥物分子活性提高了16倍。本工作的發現為GPCR的藥物設計以及藥物分子活性優化提供了廣闊的空間和全新的策略。

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