多巴胺|研究揭示激活态多巴胺受体D1R和D2R配体选择性和G蛋白选择性机理单胺类神经递质是广泛分布在

单胺类神经递质是广泛分布在人体内的一类化学信号分子，包括多巴胺（dopamine,DA）、肾上腺素（adrenaline）和五羟色胺（serotonin,5-HT）等，这些信号分子共同调控人体内包括情绪及记忆在内的多种生理功能并维持机体内环境稳态。多巴胺作为人体内一种重要的单胺类神经递质，通过多巴胺能神经系统，对中枢神经系统（CNS）和外周神经系统（PNS）的功能进行调控。多巴胺能信号主要由人体中一类被称为多巴胺受体（dopaminereceptors,DRs）的G蛋白偶联受体（Gprotein-coupledreceptor,GPCR）介导，包括D1R到D5R五个受体成员。按照偶联下游G蛋白种类的不同，这些受体可进一步分为D1类受体和D2类受体，其中， D1类受体包含D1R和D5R ，主要与激活型G蛋白Gs偶联，刺激下游第二信使环状单磷酸腺苷（cAMP）的生成；包括D2R、D3R和D4R在内的D2类受体主要与抑制性G蛋白Gi/o偶联，抑制cAMP形成。在五种DRs中， D1R和D2R是CNS中表达最丰富的受体，主要分布在基底神经节和前额叶皮层中。 D1R和D2R介导的多巴胺能信号对奖赏、认知、运动协调和神经内分泌功能等在内的高级脑部功能具有重要意义，其发生异常与一些神经精神疾病密切相关，包括阿尔兹海默症（Alzheimer'sdisease,AD）、帕金森氏病（Parkinson’sdisease,PD）、精神分裂症、认知障碍、注意力缺陷多动症（Attentiondeficithyperactivitydisorder,ADHD）以及药物成瘾和滥用等。作为多巴胺受体家族的代表成员， D1R和D2R是治疗PD及精神分裂症的热门药物靶点。
D1R选择性激动剂长期以来被认为是治疗PD的有效方法，但目前上市的D1R激动剂药物大多是D2样受体的选择性激动剂。已开发的D1R选择性激动剂由于受到代谢快（儿茶酚结构特征）及无法透过血脑屏障等缺陷的影响，尚无通过临床研究用于神经精神类疾病治疗；在治疗精神分裂症中，尽管可以通过目前的药物作用D2样受体以有效治疗正面症状，但它们在减轻负面症状和认知缺陷方面效率低下，而D1R选择性激动剂则可作为精神类疾病患者提高认知的潜在治疗途径。此外， D1R激动剂还被普遍认为是治疗AHDH和药物成瘾的有效治疗方法。通过对D1R和D2R受体进行结构药理学研究并揭示其配体选择性的分子机制，对理解配体结合特性、受体激活和设计更高效的多巴胺受体靶向抗神经精神疾病类药物具有重要的科学意义和临床应用价值。
目前，尽管已有一些多巴胺受体亚型的结构获得解析，包括D2R、D3R和D4R与拮抗剂结合复合物的晶体结构以及D2R（突变型）与激动剂复合物的低分辨率冷冻电镜结构，然而，对于D1类受体，尤其是D1R ，自D1R基因被发现及克隆近30年来，其受体结构仍处于未知状态，这限制了学界对D1R配体识别和受体激活机制的理解，成为制约基于结构的靶向D1R受体药物研发的重要科学问题。
【多巴胺|研究揭示激活态多巴胺受体D1R和D2R配体选择性和G蛋白选择性机理】针对上述难题，中国科学院上海药物研究所研究员徐华强课题组联合美国匹兹堡大学教授张诚课题组、浙江大学医学院与浙江省良渚实验室教授张岩课题组、北卡罗来纳大学教堂山分校教授BryanL.Roth课题组等，应用冷冻电镜技术（Cryogenicelectronmicroscopy,Cryo-EM）首次解析了帕金森病治疗药物apomorphine（DRs泛激动剂）、D1R/D5R选择性全激动剂SKF81297以及G蛋白信号偏好性D1R/D5R选择性部分激动剂SKF83959激活下D1R与下游Gs蛋白复合物的高分辨率冷冻电镜结构，分辨率为2.9埃-3.0埃。此外，研究人员还解析了帕金森病治疗药物bromocriptine激活下D2R（野生型）与Gi复合物2.8埃分辨率的冷冻电镜结构（图1）。这些结构数据结合功能实验结论揭示了D1R和D2R配体结合口袋的拓扑结构特性、潜在的受体激活机制、配体激动剂选择性识别并激活D1R和D2R的分子机制、D1R的G蛋白偏好性激活决定因素以及D1R和D2R在G蛋白选择性差异上的结构基础等。
上述研究成果为以D1R和D2R为药物靶点的选择性激动剂药物的设计和开发，以及G蛋白信号偏好性D1R靶向药物设计提供了重要的结构基础和理论依据。相关研究成果以StructuralinsightsintothehumandopamineD1RandD2Rreceptorsignalingcomplexes为题，于2月11日在线发表在Cell上。这是继2月5日发表在MoleculeCell上关于D3R的工作之后徐华强课题组和张岩课题组等在多巴胺能系统方向进行结构和功能系列研究的又一重要研究进展，进一步加深了学界对该系统的认识。
研究发现， D1R在结构上表现为经典的七次跨膜螺旋结构，其中，配体正性结合位点位于受体胞外端，由胞外loop及跨膜螺旋部分组成；Gs蛋白偶联界面位于受体胞内端，由近胞内端结构域组成。 SKF81297、SKF83959及apomorphine均属于D1R的儿茶酚胺类激动剂，在与D1R的结合上，三种激动剂与受体上结合口袋的相互作用模式类似，其中，最典型的是配体上的氨基与D1033.32之间形成离子相互作用，这个作用位点在所有单胺类受体上极其保守。在结合模式上，三种激动剂的儿茶酚结构朝向TM5 ，但整体构象存在细微差别，这种细微差别导致不同配体在激活效力及信号通路偏好性的差异。研究人员对比D1R与SKF81297、SKF83959的结构细节发现，虽然SKF83959比SKF81297仅多了两个甲基，但受到SKF83959结构上azepine环上额外的甲基与D1R上疏水氨基酸F3137.35、W3217.43空间位阻效应影响，相比于SKF81297 ， SKF83959更接近TM5并限制了TM5向跨膜区中心内移，使SKF83959表现出比SKF81297更弱的激活效力，这与salmeterol部分激活β2AR的原理相似。此外， SKF83959作为D1R的G蛋白偏好性激动剂的机制长期以来未得到解释，通过结构比对和β-arrestin募集实验分析，研究人员发现，与SKF83959上azepine环内额外的甲基相互作用的D1RTM5上的氨基酸残基F2886.51、F2896.52以及TM7上的V3177.39在SKF83959的G蛋白偏好性活性上发挥重要作用，为设计更安全的G蛋白偏好性D1R激动剂提供了结构基础和理论依据。