今天你抑郁了嗎?
現(xiàn)代社會(huì)，抑郁癥已經(jīng)成為一大“殺手”。但抑郁癥的成因是什么?大腦是如何發(fā)生病變的?抗抑郁藥物是如何產(chǎn)生作用的?許多問題都沒有答案。
借助于結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究“神器”——冷凍電鏡，科學(xué)家正逐步從分子層面揭開圍繞著抑郁癥的層層迷霧。
北京時(shí)間3月25日，《自然》雜志發(fā)表了中國(guó)科學(xué)家一項(xiàng)最新研究成果，在國(guó)際上首次報(bào)道了抑郁癥重要靶點(diǎn)——5-羥色胺受體的5個(gè)近原子分辨率結(jié)構(gòu)，揭示了磷脂和膽固醇如何調(diào)節(jié)這一受體功能，以及抗抑郁藥物阿立哌唑的分子調(diào)節(jié)機(jī)制，為后續(xù)藥物開發(fā)提供重要基礎(chǔ)。
解密“快樂神經(jīng)遞質(zhì)”受體
5-羥色胺是一種能使人感受快樂的神經(jīng)遞質(zhì)，被稱為“快樂神經(jīng)遞質(zhì)”，一旦失調(diào)可引起抑郁癥、精神分裂癥、躁郁癥等精神類疾病。而5-羥色胺要在大腦中發(fā)揮功能，離不開它的13種受體，否則再多也是徒勞。
因此，5-羥色胺受體成為重要的抗抑郁藥物靶點(diǎn)，受到廣泛研究。不過，論文通訊作者徐華強(qiáng)表示，由于對(duì)5-羥色胺受體精細(xì)結(jié)構(gòu)了解甚少，新型靶向藥物的研發(fā)十分困難。
為此，中科院上海藥物研究所研究員徐華強(qiáng)、蔣軼團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué)教授張巖團(tuán)隊(duì)等研究組，采用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，首次解析了三種5-羥色胺(5-HT)受體結(jié)合不同配體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)：包括抑郁癥、精神分裂癥治療靶點(diǎn)5-HT1A受體的結(jié)構(gòu)，偏頭痛治療靶點(diǎn)5-HT1D受體的結(jié)構(gòu)和多種精神類疾病潛在的選擇性治療靶點(diǎn)5-HT1E受體的結(jié)構(gòu)。
論文第一作者徐沛雨告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，這三種受體都屬于5-HT1亞家族，是精神類疾病治療藥物的重要靶點(diǎn)。通過不同結(jié)合狀態(tài)結(jié)構(gòu)的比較，可以研究受體的組成性激活以及藥物結(jié)合機(jī)制，有助于藥物設(shè)計(jì)。
《自然》雜志審稿人認(rèn)為，5-羥色胺的泛激動(dòng)作用和配體選擇性是有趣的科學(xué)問題，與廣大的讀者息息相關(guān)，這項(xiàng)研究對(duì)相關(guān)的藥物研究很有益處，將引起廣泛且深遠(yuǎn)的影響。
據(jù)悉，對(duì)5-羥色胺受體的結(jié)構(gòu)研究在國(guó)際上競(jìng)爭(zhēng)激烈，徐華強(qiáng)課題組曾在2013年發(fā)表第一個(gè)5-HT1B受體的結(jié)構(gòu)，此后多個(gè)團(tuán)隊(duì)相繼報(bào)道了多個(gè)5-HT2亞家族受體結(jié)構(gòu)。
徐華強(qiáng)表示，此項(xiàng)工作完善了5-HT1亞家族受體結(jié)構(gòu)，但對(duì)于龐大的5-羥色胺受體家族，還有很多問題需要繼續(xù)探索。
指出藥物開發(fā)新方向
阿立哌唑是臨床用于治療精神類疾病的一線用藥，也是最成功的精神分裂癥和抑郁癥治療藥物之一，在2002年就被美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)上市，年銷售額曾達(dá)到近70億美元。
值得注意的是，阿立哌唑正是通過直接結(jié)合5-羥色胺來發(fā)揮作用，但其作用于受體的結(jié)構(gòu)一直未知。
“從我們的結(jié)構(gòu)第一次看到了阿立哌唑是如何與受體相互作用的。”徐沛雨表示，由于5-羥色胺在人體其他部位也有分布，因此可能由于脫靶效應(yīng)產(chǎn)生副作用，通過掌握其結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)潛在的更有效、副作用更低的新型藥物。
此外，科研人員還發(fā)現(xiàn)，磷脂分子PI4P能結(jié)合于5-HT1A受體和G蛋白的相互作用界面;膽固醇分子也直接參與了受體的激活，并能調(diào)節(jié)阿立哌唑與受體的結(jié)合。這是國(guó)際上首次報(bào)道5-HT1A受體受到磷脂和膽固醇的分子調(diào)節(jié)機(jī)制，也使其成為一個(gè)具有前景的藥物開發(fā)方向。
中科院院士、中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》指出，這一研究有幾大貢獻(xiàn)：對(duì)幾個(gè)與精神類疾病有直接關(guān)系的調(diào)質(zhì)受體做了較全面的解析，包括藥物結(jié)合后的構(gòu)象;解析了細(xì)胞膜上在受體周圍的脂類分子與受體的結(jié)合構(gòu)象和對(duì)受體與藥物結(jié)合所需結(jié)構(gòu)的調(diào)控;提出了受體在沒有配體的情況下可以有活性、進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的結(jié)構(gòu)機(jī)制。
蒲慕明特別指出，該研究最重要的貢獻(xiàn)在于指出一個(gè)與G蛋白受體的胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的肌醇磷脂分子可以直接與5-羥色胺受體結(jié)合并激活它，為胞內(nèi)信號(hào)對(duì)受體的正反饋調(diào)控提供了可能機(jī)制。
“本工作并未對(duì)此反饋通路進(jìn)行探討，因?yàn)檫@是細(xì)胞生物學(xué)的問題，這也說明結(jié)構(gòu)生物學(xué)能從結(jié)構(gòu)解析指出細(xì)胞生物學(xué)可以探索的新方向。”蒲慕明說。
冷凍電鏡再立新功
2017年，3位科學(xué)家因?qū)鋬鲭婄R技術(shù)作出突出貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。由于冷凍電鏡對(duì)生物領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的影響，此次化學(xué)獎(jiǎng)被戲稱為：發(fā)給物理學(xué)家的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，最終幫助了生物學(xué)家。
冷凍電鏡是將樣品低溫冷凍和電子顯微鏡結(jié)合，通過快速冷凍的方法，避免了容易破壞樣品質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的結(jié)晶過程，再放入電鏡內(nèi)觀察，可以解析出蛋白質(zhì)等生物大分子的空間結(jié)構(gòu)。
此次中國(guó)科學(xué)家正是借助于冷凍電鏡看清了5-羥色胺受體的精細(xì)結(jié)構(gòu)，整體分辨率達(dá)到3埃左右，即3×10-10米。尤其在受體和藥物分子結(jié)合的“口袋”位置附近，分辨率更是達(dá)到2.5到2.7埃。
徐沛雨表示，這一分辨率在同類研究中處于領(lǐng)先地位，“從蛋白質(zhì)樣品的冷凍到穩(wěn)定性、均一性，實(shí)驗(yàn)中每個(gè)步驟都會(huì)影響分辨率，只有保證每一步都是最優(yōu)，才能獲得高分辨率。”
例如，在冷凍制樣的過程中，放置蛋白質(zhì)顆粒的載網(wǎng)冰層厚度對(duì)分辨率有較大影響，厚度大分辨率低，厚度小則容易被電子擊穿，必須針對(duì)不同樣本反復(fù)調(diào)試。
在此過程中，張巖在GPCR(G蛋白偶聯(lián)受體)電鏡研究上的豐富研究經(jīng)驗(yàn)，為復(fù)合物的結(jié)構(gòu)解析提供了關(guān)鍵突破。
在人源5-羥色胺受體家族的17個(gè)亞型中，有12個(gè)都是GPCR。徐沛雨表示，在人類的GPCR中，還有大量潛在的藥物靶點(diǎn)，因此這一領(lǐng)域是當(dāng)前極為熱門的研發(fā)方向，也是各大藥企競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。
據(jù)悉，該課題從2018年上半年開始，在2018年9月就解析出第一個(gè)結(jié)構(gòu)，為了得到更高分辨率的結(jié)構(gòu)，課題組一直在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，直到2020年下半年才獲得滿意數(shù)據(jù)。(作者：陳歡歡)
