李曉明/張巖教授團(tuán)隊(duì)合作破譯大麻素受體選擇性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制

2023 年12 月14 日，《細(xì)胞》（Cell）在線刊登了浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院李曉明/張巖教授團(tuán)隊(duì)的研究成果“Snapshot of the cannabinoid receptor 1-arrestin complex unravels the biased signaling mechanism”（DOI：10.1016/j.cell.2023.11.017）。該項(xiàng)研究從原子分辨率水平解析了大麻素1 型受體（CB1）的阻遏素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)，結(jié)合細(xì)胞水平功能分析闡明了CB1介導(dǎo)阻遏素信號(hào)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)決定因素以及下游G 蛋白和阻遏素選擇性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，為推動(dòng)開發(fā)精細(xì)調(diào)控CB1功能信號(hào)的合成大麻素奠定基礎(chǔ)，從而在保留大麻治療效果的同時(shí)規(guī)避其副作用。

大麻類藥物通過作用于人體內(nèi)G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）家族中的大麻素受體尤其是CB1 發(fā)揮抗焦慮、抗抑郁、鎮(zhèn)痛、神經(jīng)保護(hù)等作用。但CB1的激活還會(huì)引發(fā)藥物成癮、耐受、軀體僵直、代謝紊亂等副作用，這極大地限制了大麻的臨床應(yīng)用。目前，選擇性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)概念的提出是靶向GPCR 治療領(lǐng)域一種極具前景的藥理學(xué)策略。具有偏向性配體可以精確調(diào)控GPCR下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，分離藥物的治療效果和不良反應(yīng)，從而達(dá)到精準(zhǔn)干預(yù)疾病的目的。

CB1 的重要生理病理功能由下游Gi/o和阻遏素兩類信號(hào)蛋白介導(dǎo)。然而，由于對(duì)CB1 和阻遏素信號(hào)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)缺乏認(rèn)識(shí)，人們對(duì)CB1 選擇性信號(hào)傳導(dǎo)的認(rèn)知不足，限制了靶向CB1 偏向性藥物的研發(fā)。研究人員獲得了3.1 ?（1 ?=10－10m）的CB1 和阻遏素的冷凍電鏡復(fù)合物結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)清晰地展示了阻遏素結(jié)合狀態(tài)下CB1 配體的特殊構(gòu)象特征，以及與Gi蛋白結(jié)合狀態(tài)下CB1 構(gòu)象的顯著差異。相比于Gi蛋白結(jié)合狀態(tài)，阻遏素結(jié)合時(shí)CB1 的跨膜結(jié)構(gòu)域6（TM6）發(fā)生顯著外移，帶動(dòng)CB1的“雙撥動(dòng)開關(guān)”（F2003.36和W3566.48）發(fā)生重排產(chǎn)生向下的偏轉(zhuǎn)，使激動(dòng)劑插入到受體正構(gòu)口袋更深的位置；反過來，激動(dòng)劑的額外向下插入也穩(wěn)定了“雙撥動(dòng)開關(guān)”向下偏轉(zhuǎn)，有利于TM6 顯著外移招募阻遏素，證明了CB1 正構(gòu)口袋和下游信號(hào)分子口袋之間的變構(gòu)相關(guān)性。通過功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究人員發(fā)現(xiàn)決定CB1 選擇激活下游G蛋白通路還是阻遏素通路的關(guān)鍵在于“雙撥動(dòng)開關(guān)”，F(xiàn)3.36對(duì)激活Gi通路更為關(guān)鍵，而W6.48對(duì)激活阻遏素通路更為重要。以上發(fā)現(xiàn)證明了CB1 正構(gòu)口袋和下游信號(hào)分子口袋之間的變構(gòu)相關(guān)性?；谶@些發(fā)現(xiàn)能準(zhǔn)確并高效地設(shè)計(jì)偏向性CB1小分子，開發(fā)以高效、安全為特征的治療抑郁癥、焦慮癥和疼痛的新藥。

論文第一作者為廖宇瑩博士研究生、張會(huì)冰博士、沈慶亞博士和蔡晨曦博士研究生。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技創(chuàng)新2030—“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目等資助。