中國科學技術大學施蘊渝院士點評了生命學院校友們除夕發表的力作。
點評 | 施蘊渝（中國科學院院士，中國科學技術大學教授）、劉翔宇（清華大學）多巴胺（Dopamine）是一種能夠給人帶來愉悅感受的神經遞質，在中樞神經系統疾病治療中具有重要作用。多巴胺通過多巴胺受體調節多種生理過程，如獎賞、成癮、記憶、新陳代謝和激素分泌【1-3】。多巴胺受體包含D1類受體和D2類受體兩個亞家族，其中D1類受體（DRD1和DRD5）通過激活Gs/Golf和刺激環磷酸腺苷 (CAMP) 的產生，調節中樞神經系統獎賞、運動和認知，並在外周組織中發揮有益的作用，包括抑制炎症反應和維持心血管和腎臟的動態平衡【1，4】。相比之下，D2類受體 (DRD2、DRD3和DRD4) 與Gi/Go偶聯，抑制cAMP積累並調節不同的生理效應【3，5】。五種多巴胺受體亞型具有很高的序列同源性、識別相同的內源性配體，針對這五種亞型的藥物開發已取得重要進展，但是，多巴胺受體亞型之間對激動劑識別、配體選擇性、受體激活和G蛋白選擇性的機制仍不清楚。
邵振華（四川大學教授，博士畢業於中國科學技術大學）
目前為止，D2類受體識別拮抗劑配體的分子機制【6-8】，選擇性激動劑Bromocriptine激活DRD2-Gi信號轉導複合物的分子機制相繼被揭示 【9】。然而，D1類亞家族識別配體的結構基礎仍然缺乏，高選擇性激動劑藥物是治療帕金森病以及腎損傷高血壓的臨床需求 【10-12】。D1類多巴胺受體的結構基礎將為選擇性激動劑開發提供理論依據。
2021年2月10日，四川大學華西醫院邵振華教授（中國科學技術大學SA0908 /BA1108）研究團隊，聯合山東大學於曉(94少）-孫金鵬（9308）教授團隊，西安交通大學張磊教授團隊以及香港中文大學（深圳）杜洋（BA1108）教授，共同在Cell雜誌在線發表了他們最新的研究成果 Ligand recognition and allosteric regulation of DRD1-Gs signaling complexes ，採用冷凍電鏡技術首次解析了DRD1-Gs複合體分別結合兒茶酚類(Catechol like)激動劑（降血壓藥Fenoldopam、完全激動劑A77636和G蛋白偏向性激動劑SKF83959）、非兒茶酚類(Non-catechol like)激動劑PW0464，以及同時結合快樂荷爾蒙Dopamine和正向別構調節劑LY3154207的三維結構。【本文5位通訊作者4位畢業於中國科學技術大學生命學院，老院長施蘊渝教授點評時應該蠻驕傲哦？】
本研究對多巴胺受體的配體識別、激活機理以及信號轉導選擇等都具有廣泛的影響。具體發現如下：（1）揭示了DRD1的正位結合口袋（orthosteric binding pocket，OBP）識別內源性荷爾蒙多巴胺及兒茶酚類激動劑配體的機制。本結構是第一個揭示了多巴胺受體是如何結合併識別快樂荷爾蒙多巴胺的。結構分析還發現了DRD1受體的4個跨膜螺旋以及第二個胞外環（ECL2）組成了DRD1的OBP，並發現D3.32-S5.42-S5.46是所有多巴胺受體識別含兒茶酚胺類激動劑的關鍵模體（motif），而S3.36-N6.55極性motif是D1類受體所特有的（對應D2類受體為C3.36-H6.55），該motif是多巴胺受體亞型和信號通路選擇性的關鍵殘基，這為亞型選擇性配體藥物的開發奠定了基礎。
（2）闡明了DRD1的非兒茶酚類激動劑結合模式。PW0464是一種非兒茶酚類激動劑，以高親和力和選擇性靶向DRD1，並偏向於G蛋白信號通路而不作用於β-arrestin通路，PW0464表現出與鄰苯二酚類激動劑不同的結合模式。PW0464除了與D3.32-S5.42-S5.46基序形成極性作用外，PW0464將吡啶頭與苯氧基連接起來，與I1043.33、L190ECL2、F2886.51和F3137.35形成大量疏水相互作用。在TM2和ECL2區域，PW0464的嘧啶二酮基團與ECL2的D187-S189主鏈以及W993.28和V3177.39的側鏈有廣泛的接觸，並與K812.61形成氫鍵。該結合模式不僅為選擇性和偏向性藥物的開發提供了理論基礎，也為非兒茶酚類的繼續開發奠定了基礎。非兒茶酚類的DRD1激動劑因其可跨過血腦屏障，因此有更好的治療神經疾病的潛力。（3）揭示了DRD1延伸結合口袋（extended binding pocket ，EBP）的特徵。五種多巴胺受體都含有EBP，為配體的高親和力和高選擇性提供了可能性。與DRD2-Gi結構相比，DRD1在ECL1、ECL2、TM6和TM7上表現出顯著的差異，從而產生了不同的EBP。研究發現DRD1的EBP中保守的K2.61-W3.28-W7.43和N6.55-F7.35motif，是激動劑識別的重要結構特徵。（4）發現了DRD1的正向別構調節（positive allosteric modulator，PAM）位點。LY3154207是由禮來公司於2019年首次報導，目前仍處於臨床二期研究，用於治療痴呆症（Lewy body dementia）。在藥理學上，該藥物表現出顯著的正向別構效應，能顯著增強DRD1對內源性激動劑多巴胺的結合能力和信號轉導效應。結構顯示LY3154207結合在第二個胞內環 (ICL2) 、TM3和TM4形成的膜包埋結合位點，PAM結合口袋主要由疏水殘基組成，通過信號轉導藥理學實驗和分子動力學模擬對該位點進行了驗證，為別構小分子藥物的設計提供了理論基礎。杜洋教授（博士畢業於中國科學技術大學）
（5）提出了DRD1對G蛋白偶聯和選擇性的關鍵殘基。通過與DRD2-Gi結構比較、突變和藥理學實驗，證明DRD1中TM5保守motif A5.65xxQ5.68-I5.69及 FICL2是Gs偶聯的關鍵決定因素，該motif（相應D2類受體上的L5.65xxR5.68motif）以及ICL2上疏水殘基的不同可能是D1類受體和D2類受體對不同G蛋白的選擇性的原因。綜上所述，該團隊利用單顆粒冷凍電鏡技術解析了多巴胺受體DRD1與G蛋白的複合物結構，從而在原子層面上詳細闡釋了DRD1的配體識別、別構調節及與G蛋白偶聯的機制，該項研究將為高血壓、帕金森綜合症、腎損傷等疾病的藥物開發和治療帶來新的曙光。據悉，四川大學華西醫院為本課題第一完成單位，山東大學肖鵬研究員、四川大學顏微副教授、西安交通大學博士研究生緱璐、山東大學碩士研究生鍾亞妮、國家蛋白質中心（上海）孔亮亮為本文共同第一作者；四川大學華西醫院邵振華教授、山東大學於曉教授、西安交通大學張磊教授、香港中文大學杜洋教授以及山東大學孫金鵬教授為共同通訊作者。此外，華西醫院腎臟內科主任付平教授、楊勝勇教授，蘭州大學劉煥香教授，香港中文大學（深圳）竺立哲教授作為論文的共同作者，在此表示感謝。同日，中科院上海藥物研究所徐華強教授聯合浙江大學張巖教授等在Cell在線發表了多巴胺受體DRD1和DRD2信號轉導複合物的冷凍電鏡結構，闡述了兩種受體識別配體與G蛋白選擇性的機制等。1957年，Arvid Carlsson教授首次提出多巴胺是人體的一種重要神經遞質，並發現多巴胺水平與帕金森氏症的關聯，該突破性進展為左旋多巴胺治療帕金森氏症奠定了研究基礎，因此Arvid Carlsson教授被授予2000年諾貝爾生理學獎或醫學獎。至今，左旋多巴胺依然是治療輕度或中度帕金森氏症的常用藥物，但半衰期短、副作用多是該藥物面臨的最大問題之一。1976年，多巴胺受體被鑑定為響應內源性多巴胺的GPCR亞家族，研究表明多巴胺受體家族是治療神經退行性等疾病的直接靶標。多巴胺受體有5個成員，分為兩類，D1類受體都是偶聯Gs的，而D2類受體都是偶聯Gi的。迄今為止，與D2類受體識別拮抗劑的幾種結構已經揭示了受體識別配體的機制，而D1類受體（包括多巴胺受體DRD1）識別激動劑配體分子機制仍不清楚。新發表的這篇研究論文通過結構生物學和生物化學多種方法揭示了多巴胺受體DRD1識別內源性多巴胺、兒茶酚胺類激動劑和非兒茶酚類等激動劑的詳細識別機制，揭示了與兒茶酚胺激動劑有關的多巴胺能受體識別的保守基序（motif），包括對配體識別和DRD1的Gs偶聯機制在內的特有的結合口袋，解釋了DRD1與其他多巴胺受體家族識別不同下遊效應器G蛋白的機理。不僅如此，本文還發現了DRD1的別構調節機理，研究表明別構配體LY3154207的變構效應可能是通過穩定受體TM3末端或ICL2的活性構象，不僅增強了DRD1識別多巴胺的結合親和力，而且增加了多巴胺引起的激活效應。值得關注的是，包括LY3154207在內的幾種DRD1別構調節劑已進入臨床2期研究。通過該研究了解到，針對DRD1的激動劑藥物開發歷史：從兒茶酚胺類、非兒茶酚胺類、到新型的別構調節劑，顯示出針對DRD1的配體高選擇性和高特異性特點是未來藥物開發的熱點和趨勢，該研究綜合運用結構生物學、藥理學和計算生物學等研究手段，詳細揭示了DRD1與不同類型配體的識別模式。戀愛時意醉情迷，激動時熱血如沸，焦慮時夜不能寐。人的情緒、代謝、睡眠、應激反應等受到神經遞質和激素調控。對於重要的神經遞質或者激素，人體內常常存在多種不同亞型的受體。例如人體內有9種不同的腎上腺素受體，5種不同的乙醯膽鹼受體，14種不同亞型的5羥色胺受體。這些受體屬於G蛋白偶聯受體家族。不同亞型的受體能結合同樣的內源配體，但具有不同的組織分布，也可能激活不同類型的G蛋白，從而介導由同一種神經遞質調節的複雜的生理反應。多巴胺可能是最有名的神經遞質之一，它調控人體的『獎賞』行為，參與調節成癮、記憶與激素分泌等生理過程。多巴胺受體也屬於Ｇ蛋白偶聯受體家族。與其它重要的神經遞質受體相似，人體的多巴胺受體包含DRD1-DRD5這５種亞型，可分為兩大類。一類激活Gi/Go等Ｇ蛋白（DRD2, DRD3和DRD4），另一類激活Gs等Ｇ蛋白（DRD1和DRD5）。前一類亞型受體的結構已被解析，而後一類受體目前尚無結構被解析。針對這些具有不同亞型的重要神經遞質和激素受體的結構生物學研究備受關注，因為高解析度結構的解析可以幫助回答以下重要問題：1，什麼樣的序列和結構特徵讓這些不同的蛋白能夠感知同樣的內源配體？2，什麼樣的序列特徵讓這些相似的受體能夠激活不同的G蛋白？1，在相似的天然配體結合口袋附近，有哪些不同的結合口袋可以用於指導亞型特異性藥物的設計？2，受體的哪些區域有可能成為別構調節的位點，從而指導具有更好特異性的別構藥物研發？在本工作中，邵振華教授與合作者解析了DRD1受體結合Gs蛋白與多個不同激動劑，包括內源激動劑多巴胺，降血壓藥fenoldopam，以及非兒茶酚類藥物PW0464，以及別構激動劑LY3154207等。這些結構揭示了正構結合口袋識別配體的通用機制，闡明了非兒茶酚類藥物結合受體的模式，揭示了DRD1上的別構調節位點，以及提出了DRD1對G蛋白選擇性的機理。這些工作不光揭示了DRD1的配體識別和G蛋白偶聯的結構基礎，更為開發治療高血壓或者帕金森病所需的DRD1特異性激動劑提供了指導。劉翔宇 簡介：劉翔宇博士分別於2004年和2011年獲得北京大學學士和博士學位。於2008年至2010年受國家留學基金委資助在丹麥奧胡斯大學交流學習。於2011年7月至2013年6月，以及2013年7月至2017年6月分別在北京大學生命科學學院和清華大學醫學院從事博士後研究。2017年7月起在清華大學醫學院擔任助理研究員。於2019年8月加入清華大學藥學院擔任助理教授，開展獨立研究，專注於GPCR的結構生物學和基於結構的藥物設計研究https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.0281.Beaulieu, J.M., Gainetdinov, R.R., 2011. The physiology, signaling, and pharmacology of dopamine receptors. Pharmacol. Rev. 63, 182–2172. Kebabian, J.W., Calne, D.B., 1979. Multiple receptors for dopamine. Nature 277, 93–96.3. Missale, C., Nash, S.R., Robinson, S.W., Jaber, M., Caron, M.G., 1998. Dopamine receptors: from structure to function. Physiol. Rev. 78, 189–225.4. Yan, Y., Jiang, W., Liu, L., Wang, X., Ding, C., Tian, Z., Zhou, R., 2015. Dopamine controls systemic inflammation through inhibition of NLRP3 inflammasome. Cell 160, 62–73.5. Spano, P.F., Govoni, S., Trabucchi, M., 1978. Studies on the pharmacological properties of dopamine receptors in various areas of the central nervous system. Adv. Biochem. Psychopharmacol. 19, 155–165.6. Chien, E.Y., Liu, W., Zhao, Q., Katritch, V., Han, G.W., Hanson, M.A., Shi, L., Newman, A.H., Javitch, J.A., Cherezov, V., Stevens, R.C., 2010. Structure of the human dopamine D3 receptor in complex with a D2/D3 selective antagonist. Science 330, 1091–1095.7. Wang, S., Wacker, D., Levit, A., Che, T., Betz, R.M., McCorvy, J.D., Venkatakrishnan, A.J., Huang, X.P., Dror, R.O., Shoichet, B.K., Roth, B.L., 2017. D4 dopamine receptor high-resolution structures enable the discovery of selective agonists. Science 358, 381–386.8. Wang, S., Che, T., Levit, A., Shoichet, B.K., Wacker, D., Roth, B.L., 2018a. Structure of the D2 dopamine receptor bound to the atypical antipsychotic drug risperidone. Nature 555, 269–273.9. Yin, J., Chen, K.M., Clark, M.J., Hijazi, M., Kumari, P., Bai, X.C., Sunahara, R.K., Barth, P., Rosenbaum, D.M., 2020. Structure of a D2 dopamine receptor-G-protein complex in a lipid membrane. Nature 584, 125–129.10. Gurrell, R., Duvvuri, S., Sun, P., DeMartinis, N., 2018. A Phase I Study of the Safety, Tolerability, Pharmacokinetics, and Pharmacodynamics of the Novel Dopamine D1 Receptor Partial Agonist, PF-06669571, in Subjects with Idiopathic Parkinson’s Disease. Clin. Drug Investig. 38, 509–517.11. Nichols, A.J., Ruffolo, R.R., Jr., Brooks, D.P., 1990. The pharmacology of fenoldopam. Am. J. Hypertens. 3, 116S–119S.12. Noce, A., Marrone, G., Rovella, V., Busca, A., Gola, C., Ferrannini, M., Di Daniele, N., 2019. Fenoldopam Mesylate: A Narrative Review of Its Use in Acute Kidney Injury. Curr. Pharm. Biotechnol. 20, 366–375.