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上海藥物所徐華強課題組利用冷凍電鏡技術(shù)揭示抗偏頭痛藥物選擇性作用機制
2021年08月26日 09:25:43
來源：中科院上海藥物研究所 點擊量：6712
近日，中國科學(xué)院上海藥物研究所徐華強課題組利用冷凍電鏡技術(shù)，首次解析了5-HT1F受體結(jié)合G蛋白以及抗偏頭痛藥物拉米替坦的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示了拉米替坦選擇性結(jié)合5-HT1F受體的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】偏頭痛是一種影響極為廣泛的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，在全球范圍內(nèi)波及超過10億人口，造成了巨大的社會經(jīng)濟負擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計，歐洲每年因偏頭痛造成超過270億歐元的經(jīng)濟損失，在中國約每11個成人中就有1人遭受偏頭痛的困擾。此外，偏頭痛還會伴隨包括抑郁癥、焦慮癥、癲癇、肥胖和其它慢性疼痛等一系列病癥，給患者及其家庭帶來沉重負擔(dān)。
5-羥色胺(5-HT)家族受體是偏頭痛、抑郁癥、精神分裂癥等中樞神經(jīng)疾病的重要靶點。其中，5-HT1B、5-HT1D和5-HT1F三種亞型與偏頭痛的治療密切相關(guān)。多年以來，靶向5-HT1B/1D的激動劑曲普坦類藥物被廣泛用于偏頭痛的治療。然而，該類藥物的血管收縮特性給患有冠心病、腦血管疾病或高血壓病史的患者帶來了一定的治療風(fēng)險。2019年，美國FDA批準了一種高選擇性靶向5-HT1F的新型急性偏頭痛治療藥物——拉米替坦(Lasmiditan)。拉米替坦能有效地避免曲普坦類藥物在心血管方面的副作用，然而其選擇性靶向5-HT1F受體的機理尚不明確。5-HT1F作為極具前景的抗偏頭痛靶點，對其結(jié)構(gòu)、功能以及選擇性藥物的作用機制的研究具有重要意義。
近日，中國科學(xué)院上海藥物研究所徐華強課題組利用冷凍電鏡技術(shù)，首次解析了5-HT1F受體結(jié)合G蛋白以及抗偏頭痛藥物拉米替坦的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示了拉米替坦選擇性結(jié)合5-HT1F受體的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
冷凍電鏡技術(shù)，也叫冷凍電子顯微鏡技術(shù)，是在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術(shù)，即把樣品凍起來并保持低溫放進顯微鏡里面，用高度相干的電子作為光源從上面照下來，透過樣品和附近的冰層，受到散射。研究人員再利用探測器和透鏡系統(tǒng)把散射信號成像記錄下來，最后進行信號處理，得到樣品的結(jié)構(gòu)。
冷凍電鏡技術(shù)作為一種重要的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究方法，它與X射線晶體學(xué)、核磁共振一起構(gòu)成了高分辨率結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的基礎(chǔ)。這項技術(shù)獲得了2017年的諾貝爾化學(xué)獎。獲獎理由是“開發(fā)出冷凍電子顯微鏡技術(shù)(也稱為低溫電子顯微鏡技術(shù))用于確定溶液中的生物分子的高分辨率結(jié)構(gòu)”，簡化了生物細胞的成像過程，提高了成像質(zhì)量。
徐華強課題組的成果以“Structural basis for recognition of anti-migraine drug lasmiditan by the serotonin receptor 5-HT1F–G protein complex”為題，于2021年7月8日在《細胞研究》(Cell Research)上在線發(fā)表。
5-HT1F屬于5-HT1亞家族成員，但在同源性和配體激活效應(yīng)上與該亞家族的其它亞型差別相對較大，這也使得5-HT1F成為具有潛力的選擇性抗偏頭痛靶點。研究團隊經(jīng)過純化、冷凍制樣和數(shù)據(jù)處理等條件摸索，突破了5-HT1F受體-G蛋白復(fù)合物表達量低、復(fù)合物組裝不穩(wěn)定的技術(shù)瓶頸，最終獲得高質(zhì)量的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。5-HT1F受體的胞外區(qū)附近結(jié)構(gòu)相對其他5-HT亞型受體具有顯著的構(gòu)象變化，這也是藥物拉米替坦能夠高選擇性結(jié)合5-HT1F受體的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
a-b. 5-HT1F-Gi-拉米替坦復(fù)合物的電鏡密度圖(a)和原子模型(b)；
c. 拉米替坦的結(jié)合口袋示意圖；
d. 拉米替坦與5-HT1F受體的相互作用模式圖；
e. G蛋白招募實驗顯示拉米替坦對5-HT1F受體具有高度選擇性。
c. 拉米替坦的結(jié)合口袋示意圖；
d. 拉米替坦與5-HT1F受體的相互作用模式圖；
e. G蛋白招募實驗顯示拉米替坦對5-HT1F受體具有高度選擇性。
徐華強課題組長期致力于在5-羥色胺家族受體的結(jié)構(gòu)與功能研究，并取得了一系列系統(tǒng)性的重要成果。該研究團隊于2013年在Science上發(fā)表首個5-HT1B受體的晶體結(jié)構(gòu)1；于2018年在Cell Discovery上發(fā)表了首個拮抗狀態(tài)的5-HT1B受體結(jié)構(gòu)2；于2021年3月在Nature上發(fā)表3個不同亞型的5-HT受體與G蛋白復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，并首次揭示了5-HT受體的脂質(zhì)調(diào)控、組成型激活以及與抗精神分裂癥、抗抑郁藥物阿立哌唑的作用機制3。該團隊在5-HT1F受體和抗偏頭痛藥物的作用機制上取得的成果，進一步實現(xiàn)了5-HT受體系統(tǒng)研究領(lǐng)域的重要突破。
上海藥物所和上海科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生黃思婕、上海藥物所博士生徐沛雨和研究助理譚陽霞為文章的共同第一作者；上海藥物所徐華強研究員和蔣軼研究員為文章的共同通訊作者。該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、上海市市級科技重大專項、國家自然科學(xué)基金和國家科技重大專項的資助。
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