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( 二 ) 单胺类神经递质是广泛分布在

研究人员对比D1R与非选择性激动剂apomorphine的结构发现， apomorphine的结合比SKF化合物更远离D1R的胞外loop2（ECL2）。进一步比较D1R和D2R的结构，研究人员发现， D1R和D2R的ECL2在拓扑结构上存在明显差别， D2R的ECL2上的“CIIA”基序相比于D1R的“CDSS”基序更靠近正构结合位点中心，若SKF化合物和apomorphine以类似的模式结合到D2R ， D2R的ECL2（尤其是氨基酸残基I184）将与SKF化合物而不是apomorphine发生空间位阻效应。比较D2R-bromocritine的结构发现， bromocriptine远离D2RECL2区域，避免了与之发生位阻效应，这些结果表明ECL2在D1R和D2R的配体选择性上发挥重要调控作用。 Bromocriptine在对D1R的结合力上比D2R大概低50倍。通过D1R和D2R的结构比对发现， D1R的配体结合口袋更狭窄，相比于D2R ， D1R的TM6近胞外端往跨膜中心内移5.5埃并与bromocriptine发生一定程度空间位阻， D1R上的非保守的带正电氨基酸K81在能量上不利于与bromocriptine的结合，这些因素共同决定了bromocriptine对D2R具有更高的亲和力（图2）。
虽然D1R与D2R分属于同一GPCR家族，然而在进化树分析上D1R与β2AR更接近。与之对应的是，在结构上， D1R和β2AR表现出高度的相似性，尤其是在跨膜区TM5-7、保守的P5.50I3.40F6.44基序及DR3.50Y基序上，这些发现预示D1R和β2AR具有相似的激活机制。同为单胺类受体， D1R和β2AR表现出对不同单胺类神经递质的选择性。该研究发现，将D1RTM7上的V317突变成β2AR对应的氨基酸残基天冬酰胺（N），能够提高D1R对β2AR选择性神经递质肾上腺素及其衍生物异丙肾上腺素的结合效力，表明V3177.39在决定D1R对多巴胺而非其他单胺类神经递质的选择性上具有重要意义。
在下游G蛋白偶联上， D1R主要偶联Gs ， D2R主要偶联Gi ，研究人员同时对两者偶联下游G蛋白选择性的机制进行了探索。结果表明，激活态下D1R和D2R的近胞内端结构的构象差异直接引起各自在偶联下游G蛋白的不同（图3），这些差异体现在以下三个方面：（1）相比于D2R ， D1RTM6的近胞内端外移了8.4埃以容纳Gαs上α5螺旋C末端庞大的氨基酸侧链；D2R近胞内端区域形成的凹腔不足以容纳Gαs的C末端复杂的氨基酸侧链并与之发生空间位阻，但可容纳Gαi的C末端较为简单的氨基酸侧链，从而导致D1R和D2R对不同G蛋白的选择性；（2）相比于D2R ， D1R的TM5较长，往胞内区更多延伸了2.5个α螺旋并于Gαs的Ras结构域形成进一步的相互作用；（3）相比于D2R ， D1R的ICL2多了1个α螺旋，使之与Gαs的Ras结构域形成更强的疏水相互作用网络。这些因素表明， TM6和α5螺旋等的构象决定D1R和D2R对Gs/Gi的选择性，这和徐华强团队在2018年报道的Rhodopsin-Gi结构通过分子动力学模拟揭示的Gs/Gi选择性机制相符合。
综上，研究人员通过解析选择性D1R激动剂、非选择性多巴胺受体激动剂激活下D1R-Gs和D2R-Gi复合物的结构，结合功能试验数据，阐释了D1R和D2R在配体选择性和G蛋白选择性识别上的机制等重要的生物学问题，为开发以D1R和D2R为靶标的选择性药物、更安全的抗神经精神疾病类药物提供了重要的结构和理论基础。
2月11日的同期Cell上，来自四川大学的邵振华团队和北京大学的孙金鹏团队以“背靠背”形式发表了题为LigandrecognitionandallostericregulationofDRD1-Gssignalingcomplexes的研究论文，该研究报道了D1R与不同激动剂配体以及D1R与变构调节剂的结构，揭示了D1R的激动剂配体、变构调节剂的结合特性和潜在的变构调节机制。其中，针对D1R与内源性配体dopamine、正性变构调节剂的结合及调节机制这一问题，徐华强课题组联合张岩课题组、BryanL.Roth课题组等也开展了进一步的研究，相关成果已以预印本形式在线发表在BioRxiv网站上（https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.02.07.430101v1）。
冷冻电镜数据的收集工作在上海药物所冷冻电镜平台和浙江大学冷冻电镜中心完成。上海药物所2020届博士毕业生庄友文、上海药物所博士生徐沛雨、浙江大学基础医学院博士后毛春友、美国匹兹堡大学博士后LeiWang、北卡罗来纳大学教堂山分校Brian.Krumm、美国温安洛研究所X.Edward.Zhou为论文的共同第一作者，徐华强、张诚、张岩、BryanL.Roth为论文的共同通讯作者。上海药物所为该研究的第一完成单位。研究工作得到上海市市级科技重大专项、科学技术部重点研发计划、中科院战略性先导科技专项、国家自然基金委、浙江省自然基金委、美国国立卫生研究院等的资助，获得中科院院士、上海药物所研究员蒋华良和美国温安洛研究所教授KarstenMelcher的帮助。