蛋白质设施用户合作揭示多巴胺受体DRD1识别不同类型配体机制
时间 : 2021-02-20     

2021210日,国家蛋白科学研究(上海)设施用户四川大学华西医院邵振华教授研究团队,联合山东大学于晓、孙金鹏教授团队、西安交通大学张磊教授团队以及香港中文大学(深圳)杜洋教授团队,在Cell杂志在线发表最新研究成果——“Ligand recognition and allosteric regulation of DRD1-Gs signaling complexes” 

 该研究采用冷冻电镜技术首次解析了DRD1-Gs复合体分别结合儿茶酚类(Catechol like)激动剂(降血压药Fenoldopam、完全激动剂A77636G蛋白偏向性激动剂SKF83959)、非儿茶酚类(Non-catechol like)激动剂PW0464,以及同时结合快乐荷尔蒙Dopamine和正向别构调节剂LY3154207的三维结构。 

多巴胺(Dopamine)是一种能够给人带来愉悦感受的神经递质,在中枢神经系统疾病治疗中具有重要作用。多巴胺通过多巴胺受体调节多种生理过程,如奖赏、成瘾、记忆、新陈代谢和激素分泌。1976年,多巴胺受体被鉴定为响应内源性多巴胺的GPCR亚家族,研究表明多巴胺受体家族是治疗神经退行性等疾病的直接靶标。多巴胺受体有5个成员,分为两类:D1类受体和D2类受体两个亚家族,其中D1类受体(DRD1DRD5)通过激活Gs/Golf和刺激环磷酸腺苷(CAMP)的产生,调节中枢神经系统奖赏、运动和认知,并在外周组织中发挥有益的作用,包括抑制炎症反应和维持心血管和肾脏的动态平衡。相比之下,D2类受体(DRD2DRD3DRD4)与Gi/Go偶联,抑制cAMP积累并调节不同的生理效应。五种多巴胺受体亚型具有很高的序列同源性、识别相同的内源性配体,针对这五种亚型的药物开发已取得重要进展,但是,多巴胺受体亚型之间对激动剂识别、配体选择性、受体激活和G蛋白选择性的机制仍不清楚。  

目前为止,D2类受体识别拮抗剂配体的分子机制,选择性激动剂Bromocriptine激活DRD2-Gi信号转导复合物的分子机制相继被揭示。然而,D1类亚家族识别配体的结构基础仍然缺乏,高选择性激动剂药物是治疗帕金森病以及肾损伤高血压的临床需求。D1类多巴胺受体的结构基础将为选择性激动剂开发提供理论依据。

 


图注:(A)激动剂结合DRD1Gs复合物的冷冻电镜三维结构. (B) 多种激动剂配体的密度图. (C) 多巴胺与正向别构调节剂LY3154207结合DRD1-Gs复合物. D)研究中所用激动剂配体及别构调节剂的二维结构展示.

本研究对多巴胺受体的配体识别、激活机理以及信号转导选择等都具有广泛的影响。具体发现如下:

1)揭示了DRD1的正位结合口袋(orthosteric binding pocketOBP)识别内源性荷尔蒙多巴胺及儿茶酚类激动剂配体的机制。本结构是第一个揭示了多巴胺受体是如何结合并识别快乐荷尔蒙多巴胺的。结构分析还发现了DRD1受体的4个跨膜螺旋以及第二个胞外环(ECL2)组成了DRD1OBP,并发现D3.32-S5.42-S5.46是所有多巴胺受体识别含儿茶酚胺类激动剂的关键模体(motif),而S3.36-N6.55极性motifD1类受体所特有的(对应D2类受体为C3.36-H6.55),该motif是多巴胺受体亚型和信号通路选择性的关键残基,这为亚型选择性配体药物的开发奠定了基础。

2)阐明了DRD1的非儿茶酚类激动剂结合模式。PW0464是一种非儿茶酚类激动剂,以高亲和力和选择性靶向DRD1,并偏向于G蛋白信号通路而不作用于β-arrestin通路,PW0464表现出与邻苯二酚类激动剂不同的结合模式。PW0464除了与D3.32-S5.42-S5.46基序形成极性作用外,PW0464将吡啶头与苯氧基连接起来,与I1043.33L190ECL2F2886.51F3137.35形成大量疏水相互作用。在TM2ECL2区域,PW0464的嘧啶二酮基团与ECL2D187-S189主链以及W993.28V3177.39的侧链有广泛的接触,并与K812.61形成氢键。该结合模式不仅为选择性和偏向性药物的开发提供了理论基础,也为非儿茶酚类的继续开发奠定了基础。非儿茶酚类的DRD1激动剂因其可跨过血脑屏障,因此有更好的治疗神经疾病的潜力。

3)揭示了DRD1延伸结合口袋(extended binding pocket EBP)的特征。五种多巴胺受体都含有EBP,为配体的高亲和力和高选择性提供了可能性。与DRD2-Gi结构相比,DRD1ECL1ECL2TM6TM7上表现出显著的差异,从而产生了不同的EBP。研究发现DRD1EBP中保守的K2.61-W3.28-W7.43N6.55-F7.35motif,是激动剂识别的重要结构特征。

4)发现了DRD1的正向别构调节(positive allosteric modulatorPAM)位点。LY3154207是由礼来公司于2019年首次报道,目前仍处于临床二期研究,用于治疗痴呆症(Lewy body dementia)。在药理学上,该药物表现出显著的正向别构效应,能显著增强DRD1对内源性激动剂多巴胺的结合能力和信号转导效应。结构显示LY3154207结合在第二个胞内环(ICL2)TM3TM4形成的膜包埋结合位点,PAM结合口袋主要由疏水残基组成,通过信号转导药理学实验和分子动力学模拟对该位点进行了验证,为别构小分子药物的设计提供了理论基础。

5)提出了DRD1G蛋白偶联和选择性的关键残基。通过与DRD2-Gi结构比较、突变和药理学实验,证明DRD1TM5保守motif A5.65xxQ5.68-I5.69 FICL2Gs偶联的关键决定因素,该motif(相应D2类受体上的L5.65xxR5.68motif)以及ICL2上疏水残基的不同可能是D1类受体和D2类受体对不同G蛋白的选择性的原因。

 综上所述,该研究利用单颗粒冷冻电镜技术解析了多巴胺受体DRD1G蛋白的复合物结构,从而在原子层面上详细阐释了DRD1的配体识别、别构调节及与G蛋白偶联的机制,将为高血压、帕金森综合症、肾损伤等疾病的药物开发和治疗带来新的曙光。

 国家蛋白质科学研究(上海)设施电镜分析系统负责人孔亮亮为本文共同第一作者,合作完成了该研究的冷冻样品制备、电镜数据收集及数据前处理工作,为该研究的高分辨率冷冻电镜三维结构的解析提供了重要的技术支持。