致幻药LSD在多巴胺D1受体上识别的结构基础

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致幻药 LSD 多巴胺D1受体 结构生物学 G蛋白耦合受体

LSD 在多巴胺 D1 受体识别的结构基础

研究背景与问题提出

LSD（麦角二乙酰胺）是一种广为人知的致幻药物，其主要通过作用于多种神经递质受体，包括 5-HT（5-羟色胺）受体和多巴胺受体，产生深远的认知和感知影响。5-HT2A 和 5-HT2B 受体是 LSD 主要的靶点，多年来研究者已深入探讨了 LSD 与这些受体的相互作用。然而，尽管多巴胺受体，尤其是 D1 型受体（DRD1），被认为是 LSD 的重要靶点，其具体的结合动力学和受体结构上的作用机制仍不清楚。D1 受体是中枢神经系统中最丰富的多巴胺受体，涉及记忆、学习和认知功能。进一步揭示 LSD 在 DRD1 上的识别和结合机制，对理解其致幻作用和潜在的治疗应用具有重要意义。

研究来源与发表情况

本研究由 Luyu Fan、Youwen Zhuang、Hongyu Wu 等人共同完成，作者来自中国科学院系统健康科学重点实验室、上海药物研究所结构药理学研究中心、上海科技大学 iHuman 研究院等多家国内顶尖科研机构。论文发表在 2024 年 10 月的《Neuron》期刊上，展示了 LSD 与 DRD1 结合的冷冻电镜（Cryo-EM）结构分析，并探讨了不同信号转导蛋白对受体动力学的影响。

研究流程与实验方法

1. 研究流程设计

研究主要通过冷冻电镜结构解析，结合纳米抗体（nanobody）辅助技术，对 LSD 与 DRD1 受体的结合结构进行了深入探讨。本研究的核心包括以下几个主要步骤：

  • 纳米抗体设计与筛选：首先，研究团队设计了一种仿拟 β-阻遏蛋白的纳米抗体 NBA3，通过修改 CDR3 区域的氨基酸序列，使其能够结合 DRD1 并稳定其活性构象。
  • LSD-DRD1 复合物的表达与纯化：通过蛋白质工程技术，研究团队将 NBA3 融合到 DRD1 的 C 末端，并引入稳定化突变，以增强蛋白的表达和纯化效率。
  • 冷冻电镜结构解析：通过冷冻电镜技术，研究者成功解析了 LSD-DRD1 复合物的结构，分辨率达到 3.6 Å。为了进一步提升结构解析精度，还使用了另一种激动剂 PF6142，获得了 3.0 Å 的高分辨率结构。
  • 分子动力学模拟与结合动力学测定：研究团队利用分子动力学模拟和同位素结合实验，研究了 LSD 的结合模式和解离动力学，并分析了不同转导蛋白（G 蛋白和 β-阻遏蛋白）对受体稳定性的影响。

2. 关键实验发现

在纳米抗体的筛选过程中，NBA3 被证明能够在 DRD1 上稳定 β-阻遏蛋白的结合位点，表现出类似于 β-阻遏蛋白的药理特性。结构解析显示，LSD 在 DRD1 上的结合模式与其在 5-HT2 受体上的结合模式存在显著差异。在 DRD1 上，LSD 的麦角环部分更靠近 TM4（跨膜螺旋 4），并远离 TM5，这种独特的构象使得 LSD 的解离速度极快。

研究进一步揭示，DRD1 的 ECL2（细胞外环 2）区域的柔性对 LSD 的快速解离起到了关键作用。然而，当 G 蛋白结合时，ECL2 的构象变得稳定，从而显著减缓了 LSD 的解离速度。

主要研究结果

1. LSD 在 DRD1 上的独特结合模式

LSD 与 DRD1 的结合涉及到保守的盐桥形成，D103^3.32 与 LSD 的麦角系统的碱性氮形成关键的锚定作用。相比于在 5-HT2A 和 5-HT2B 受体上的结合模式，LSD 在 DRD1 上显示出更大的旋转自由度。这种旋转调整有助于 LSD 避免与 DRD1 上的 K2.61 残基发生空间冲突，从而影响了受体的信号传导。

2. ECL2 的柔性与 LSD 解离动力学

研究表明，DRD1 的 ECL2 区域的柔性是导致 LSD 解离速率极快的主要原因。在引入 S188^45.52L 突变后，ECL2 的构象更加稳定，从而显著延长了 LSD 在受体上的驻留时间。这一发现揭示了 ECL2 在调控配体解离动力学中的关键作用。

3. G 蛋白对受体构象稳定的作用

研究发现，G 蛋白结合能够稳定 DRD1 的 TM5 和 TM6 螺旋的外向运动，同时也稳定了 ECL2 的构象。这种稳定性导致了 LSD 和拮抗剂 SCH23390 在 G 蛋白存在下的解离速率显著降低。分子动力学模拟结果也支持了 G 蛋白对 ECL2 稳定性的贡献。

研究结论与意义

本研究通过结构解析和动力学分析，首次揭示了 LSD 在多巴胺 D1 受体上的独特结合模式及其快速解离的分子机制。同时，研究展示了 G 蛋白在稳定受体活性构象和延长配体驻留时间中的关键作用。此发现为进一步研究 GPCR（G 蛋白偶联受体）的动力学机制提供了重要的结构基础，也为开发基于 DRD1 的精准药物设计提供了新的思路。

研究亮点与创新点

  • 纳米抗体 NBA3 的创新应用：研究团队设计的 NBA3 纳米抗体能够模拟 β-阻遏蛋白的作用，显著提升了结构解析的分辨率，并揭示了转导蛋白对受体构象的影响。
  • 首次解析 LSD-DRD1 结合结构：本研究首次通过冷冻电镜技术解析了 LSD 与 DRD1 的结合结构，为理解 LSD 在多巴胺受体上的作用机制提供了重要的结构基础。
  • 揭示 G 蛋白对受体稳定性的影响：研究发现 G 蛋白不仅能够稳定 DRD1 的 TM5 和 TM6 螺旋，还能够通过稳定 ECL2 构象延长配体驻留时间，这一机制在 GPCR 药物设计中具有重要的应用潜力。

研究意义与展望

本研究深化了对 LSD 在多巴胺 D1 受体识别和结合机制的理解，揭示了 GPCR 动力学调控的新机制，为探索 LSD 的致幻机制及其潜在的治疗应用提供了科学依据。未来的研究可以进一步利用这些结构信息，开发新的药物分子，以选择性地调控 DRD1 介导的信号通路，应用于神经精神疾病的治疗中。

这项研究不仅为 GPCR 领域带来了新的洞见，也为未来的结构生物学和药物化学研究提供了宝贵的参考。