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四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室/肾病研究室邵振华研究员团队:大麻素受体CB1与别构调节剂配体识别的分子机制

四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室/肾病研究室邵振华研究员团队于2019年11月在“Nature Chemical Biology”(影响因子12.15)发表文章"Structure of an allosteric modulator bound to the CB1 cannabinoid receptor"(长按下方二维码即可阅读全文)。




大麻素受体CB1属于GPCR(G蛋白偶联受体)Class A类家族,在人类神经系统中高度表达,大麻素类药物通过激活该类受体进而调节体内的生理反应。CB1受体主要分布于中枢神经系统中,是疼痛、癫痫、肥胖症、抑郁症、肝纤维化或多发性硬化症的治疗靶点。CB1的激动剂和拮抗剂配体识别受体的正位位点,分别调节信号通路的开和关。除了正位配体外(激动剂和拮抗剂),其别构调节剂不仅影响大麻素类激动剂的结合,而且同样具有调节信号转导的能力。理解别构调节剂的分子机制将有助于我们更好地理解GPCR信号转导的复杂机理。


CB1的别构调控分子最早在2005年由Price等人报道。他们发现化合物ORG27569不仅能增强CB1的正向激动剂CP55940的结合,更有趣的是,该化合物抑制了下游Gi 蛋白的信号途径。为了更好地理解ORG27569作为CB1受体负向别构调节剂(NAM)的分子机理,我们用X射线晶体学的方法解析了CB1受体-激动剂CP55940-ORG27569三元复合物的三维结构,为该类受体的新型药物开发和筛选提供了新的思路。



图1 CB1配体的二维结构 (a)THC,(b)CBD,(c)CP55940和(d)ORG27569


从我们获得的CB1与激动剂和NAM的三元复合物整体结构来看,CP55940占据正位结合位点,而ORG27569结合至膜内的螺旋外位点(图2a,b),主要与受体的TM4互作,并且沿着面向脂质的疏水表面延伸以接触TM2(图2b)。CB1在G蛋白结合位点处于非活性构象(图2c),TM5和TM6向核心区域位移,从而导致识别和结合G蛋白的区域大幅度减少。这就解释了CB1受体在激动剂作用下,ORG27569抑制Gi信号通路的原因。



图2 CB1结合CP55940和ORG27569的整体结构  (a)从膜平面内观看,CB1(蓝色)。 红色球形为CP55940激动剂,黄色球形结构为ORG27569。(b)CB1的静电表面图。(c)膜的细胞内侧观察视角


CB1受体中的两个芳香环残基(F2003.36和W3566.48)构象变化决定了受体的激活与否,被称为该受体的双拨动开关。在具有ORG27569和CP55940的复合物中,双拨动开关采用的无效'off'构型(图3a),类似于在taranabant(反向激动剂)识别的结构,两个残基形成π-π疏水作用,将受体TM3和TM6锁定在类似失活的构象。与激动剂结构(图3b)和激动剂-Gi复合物(图3c)形成对比,其中F2003.36侧链从TM5旋转140°并与TM2接触。这种变化伴随着另一个扳动开关残基W3566.48远离激动剂的运动,伴随着TM6的向外运动,两个残基间的作用力被破坏,使其受体处于激活构象(图3b,c)。总之,在我们的研究中,发现ORG27569和CP55940结合的CB1三元复合物处于一种中间构象,在该构象中,正位口袋在活动状态下会收缩以适合激动剂(图3b);然而,拨动开关未触发(图3a),阻碍了TM6的移动。进一步在结构基础上揭示了别构调节剂对CB1受体的调节作用。



图3 CB1受体在不同状态下的双拨动开关(F2003.36和W3566.48)(a)CP55940 / ORG27569结合的CB1和taranabant结合的CB1的叠加(PDB 5U09)。(b)CP55940 / ORG27569结合的CB1和AM11542结合的CB1(PDB 5XRA)的叠加。(c)CP55940 / ORG27569结合的CB1和Fubinaca / Gibound的CB1(PDB 6N4B)的叠加


最重要的是,我们在研究中发现了一个全新的GPCR别构调节位点,这与之前发现的GPCR别构调节位点不同。ORG27569的氯吲哚基团紧靠W2414.50的吲哚侧链,而酰胺键联的哌啶基苯基链则延伸穿过受体外部,紧靠T2424.51和I2454.54(图4a)。W2414.50残基是A类GPCR中最保守的残基之一(图4c),该位点为GPCR别构调节位点和药物设计提供了依据和结构基础。



图4 别构调节剂ORG27569与CB1受体识别细节 (a)ORG27569配体(黄色)在4.5Å以内的接触残基(蓝色)。(b)与激动剂结合的CB1(PDB 5XRA)与胆固醇在同一口袋的等效位点。(c)来自不同A类GPCR的TM4的多序列比对,显示色氨酸(W)在4.50位保守。(d)在ORG27569结合位点上,CP55940结合的CB1(蓝色)、Taranabant结合的CB1(PDB 5U09,灰色)和Fubinaca结合的CB1(PDB 6N4B,橙色)的结构重叠


总之,该论文解释了ORG27569作为CB1受体负向别构调节剂的分子机制,为理解CB1受体的作用机理打开了新的“一扇窗”,同时为该类受体的新型药物开发和筛选提供了新的思路。


专家点评


杨胜勇教授:大麻作为药用价值已有几千年的历史,主要通过作用到大麻素受体进而调节体内信号转导途径,达到疾病治疗的目的。人体内源大麻素受体有CB1和CB2两种。其中, CB1受体主要位于脑、脊髓与外周神经系统中,具有GPCR经典的7次跨膜螺旋结构,被称中枢型大麻素受体。CB1的激活可以降低神经递质的释放,如多巴胺和GABA,从而调节人体的新陈代谢、食欲、疼痛、记忆和学习、神经系统和心血管系统等诸多方面。因此,CB1受体是疼痛、肥胖、药物成瘾和神经退行性等疾病的直接药物靶标。目前针对该受体的上市药物主要来自于植物大麻的天然提取物。相对于天然产物,目前化学合成类的CB1靶向药物副作用较大,高效低毒的药物发展较慢,主要原因是CB1受体介导的信号转导非常复杂,人们尚未完全阐明其调控机制,因而限制了创新药物的研发。


此前的研究表明CB1具有高度保守的正位结合口袋,为结构导向的药物设计带来了一些困扰,导致传统药物具有较低的选择性和特异性,副作用较高。有趣的是,CB1 受体也被发现存在别构调节位点,且与激动剂配体协同效应,更好地调控信号转导,也表现出疾病治疗的潜力。相比于保守的正位结合位点,GPCR的别构调节位点具有一定的优势:1.亚型的选择性和特异性;2. 与正位配体协同作用调节GPCR信号转导,因此更适合靶向设计和发展药物。


近期,邵振华研究员与合作者通过解析CB1受体与负向别构调节剂的三维结构,发现了CB1受体中新的负向别构调节剂识别位点,这与之前发现的GPCR别构调节位点不同。GPCR家族别构调节位点的多变性和非保守性的特点,为设计高选择性的潜在药物提供了新的策略,尤其在受体多种亚型间。该论文一方面有助于我们更系统地了解CB1受体的信号转导机制;更重要的是,别构调节剂与激动剂的协同效应为CB1受体的药物开发也提供了新的思路,应用前景广泛。



杨胜勇,博士、四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室教授,教育部长江学者、国家杰出青年科学基金获得者、百千万人才工程国家级人选、教育部创新团队带头人。分别于1990年、1993年和1999年在四川大学获学士、硕士和博士学位。1999-2001年,香港科技大学化学系博士后。2002-2005年,加拿大Calgary大学Research Scientist。2005年10月至今,四川大学生物治疗国家重点实验室工作。主要从事小分子靶向药物研究。至今已在本领域顶级或重要刊物发表SCI论文260余篇。申请专利80余项,获授权专利30余项,包括12项国际专利。研发的6个候选新药已转让到国内大型制药公司,其中两个已进入临床试验。以第一完成人获国家自然科学二等奖、教育部自然科学一等奖、药明康德生命化学研究学者奖等。


作者投稿心得


大麻素受体是我们一直研究的对象,我们曾在2016年解析了大麻素受体CB1与拮抗剂药物的晶体结构(Shao Z., et al Nature. 2016),该研究进一步拓展了科学界对CB1受体的认识。投稿过程比较顺利,在初期,我们是以letter的形式投稿和送审,后来得到了杂志编辑和审稿人的高度评价,编辑要求终稿以研究长文(Articles)的形式发表,此外,编辑把该论文故事作为杂志封面(cover image)的候选,但没有入选。带着这点小遗憾,同时作为勉励,我们课题组将继续探索大麻素等受体的作用机理和药物开发。


第一作者




邵振华,博士,四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室/肾病研究室研究员。研究方向是重要药物靶标G蛋白偶联受体(GPCR)的结构药理学。GPCR家族是人类中最大的膜蛋白受体家族,是很多药物的重要靶点,目前,约50%的上市药物直接作用于GPCR。课题组综合运用冷冻电镜技术(Cryo-EM)、X-射线晶体学、及药理学等技术手段研究GPCR的结构与药物开发,为疾病治疗提供新思路。近年来先后在NatureNature Chemical Biology等国际高水平学术期刊发表论文。目前承担了科技部重点专项“蛋白质机器与生命过程调控”及国家自然科学基金等项目,并入选国家“千人计划”青年项目、四川省“千人计划”青年项目。

Email:zhenhuashao@scu.edu.cn



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本文编辑:汪文静

本文排版:陈红梅 张洪雪

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