【科技前沿】专家点评：邵振华/于晓/张磊/杜洋
点评 | 施蕴渝（中国科学院院士）、刘翔宇（清华大学）
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【1-3】。多巴胺受体包含D1类受体和D2类受体两个亚家族，其中D1类受体（DRD1和DRD5）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【1，4】。相比之下，D2类受体 (DRD2、DRD3和DRD4) 与Gi/Go偶联，抑制cAMP积累并调节不同的生理效应【3，5】。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【6-8】，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 【9】。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 【10-12】。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。
2021年2月10日，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，共同在Cell杂志在线发表了他们最新的研究成果 Ligand recognition and allosteric regulation of DRD1-Gs signaling complexes ，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A77636和G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。
（1）揭示了DRD1的正位结合口袋（orthosteric binding pocket，OBP）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DRD1的OBP，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motif是D1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。
（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，DRD1在ECL1、ECL2、TM6和TM7上表现出显著的差异，从而产生了不同的EBP。研究发现DRD1的EBP中保守的K2.61-W3.28-W7.43和N6.55-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 modulator，PAM）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) 、TM3和TM4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DRD1对G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DRD1中TM5保守motif A5.65xxQ5.68-I5.69及 FICL2是Gs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，该团队利用单颗粒冷冻电镜技术解析了多巴胺受体DRD1与G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，该项研究将为高血压、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。
据悉，四川大学华西医院为本课题第一完成单位，山东大学肖鹏研究员、四川大学颜微副教授、西安交通大学博士研究生缑璐、山东大学硕士研究生钟亚妮、国家蛋白质中心（上海）孔亮亮为本文共同第一作者；四川大学华西医院邵振华教授、山东大学于晓教授、西安交通大学张磊教授、香港中文大学杜洋教授以及山东大学孙金鹏教授为共同通讯作者。此外，华西医院肾脏内科主任付平教授、杨胜勇教授，兰州大学刘焕香教授，香港中文大学（深圳）竺立哲教授作为论文的共同作者，在此表示感谢。
同日，中科院上海药物研究所徐华强教授联合浙江大学张岩教授等在Cell在线发表了多巴胺受体DRD1和DRD2信号转导复合物的冷冻电镜结构，阐述了两种受体识别配体与G蛋白选择性的机制等。
专家点评
施蕴渝（中国科学院院士，中国科学技术大学）
1957年，Arvid Carlsson教授首次提出多巴胺是人体的一种重要神经递质，并发现多巴胺水平与帕金森氏症的关联，该突破性进展为左旋多巴胺治疗帕金森氏症奠定了研究基础，因此Arvid Carlsson教授被授予2000年诺贝尔生理学奖或医学奖。至今，左旋多巴胺依然是治疗轻度或中度帕金森氏症的常用药物，但半衰期短、副作用多是该药物面临的最大问题之一。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类受体都是偶联Gs的，而D2类受体都是偶联Gi的。迄今为止，与D2类受体识别拮抗剂的几种结构已经揭示了受体识别配体的机制，而D1类受体（包括多巴胺受体DRD1）识别激动剂配体分子机制仍不清楚。新发表的这篇研究论文通过结构生物学和生物化学多种方法揭示了多巴胺受体DRD1识别内源性多巴胺、儿茶酚胺类激动剂和非儿茶酚类等激动剂的详细识别机制，揭示了与儿茶酚胺激动剂有关的多巴胺能受体识别的保守基序（motif），包括对配体识别和DRD1的Gs偶联机制在内的特有的结合口袋，解释了DRD1与其他多巴胺受体家族识别不同下游效应器G蛋白的机理。不仅如此，本文还发现了DRD1的别构调节机理，研究表明别构配体LY3154207的变构效应可能是通过稳定受体TM3末端或ICL2的活性构象，不仅增强了DRD1识别多巴胺的结合亲和力，而且增加了多巴胺引起的激活效应。值得关注的是，包括LY3154207在内的几种DRD1别构调节剂已进入临床2期研究。通过该研究了解到，针对DRD1的激动剂药物开发历史：从儿茶酚胺类、非儿茶酚胺类、到新型的别构调节剂，显示出针对DRD1的配体高选择性和高特异性特点是未来药物开发的热点和趋势，该研究综合运用结构生物学、药理学和计算生物学等研究手段，详细揭示了DRD1与不同类型配体的识别模式。
专家点评
刘翔宇（清华大学药学院）
恋爱时意醉情迷，激动时热血如沸，焦虑时夜不能寐。人的情绪、代谢、睡眠、应激反应等受到神经递质和激素调控。对于重要的神经递质或者激素，人体内常常存在多种不同亚型的受体。例如人体内有9种不同的肾上腺素受体，5种不同的乙酰胆碱受体，14种不同亚型的5羟色胺受体。这些受体属于G蛋白偶联受体家族。不同亚型的受体能结合同样的內源配体，但具有不同的组织分布，也可能激活不同类型的G蛋白，从而介导由同一种神经递质调节的复杂的生理反应。
多巴胺可能是最有名的神经递质之一，它调控人体的‘奖赏’行为，参与调节成瘾、记忆与激素分泌等生理过程。多巴胺受体也属于Ｇ蛋白偶联受体家族。与其它重要的神经递质受体相似，人体的多巴胺受体包含DRD1-DRD5这５种亚型，可分为两大类。一类激活Gi/Go等Ｇ蛋白（DRD2, DRD3和DRD4），另一类激活Gs等Ｇ蛋白（DRD1和DRD5）。前一类亚型受体的结构已被解析，而后一类受体目前尚无结构被解析。
针对这些具有不同亚型的重要神经递质和激素受体的结构生物学研究备受关注，因为高分辨率结构的解析可以帮助回答以下重要问题：
从基础研究角度：
1，什么样的序列和结构特征让这些不同的蛋白能够感知同样的內源配体？
2，什么样的序列特征让这些相似的受体能够激活不同的G蛋白？
从指导药物研发的角度：
1，在相似的天然配体结合口袋附近，有哪些不同的结合口袋可以用于指导亚型特异性药物的设计？
2，受体的哪些区域有可能成为别构调节的位点，从而指导具有更好特异性的别构药物研发？
在本工作中，邵振华教授与合作者解析了DRD1受体结合Gs蛋白与多个不同激动剂，包括內源激动剂多巴胺，降血压药fenoldopam，以及非儿茶酚类药物PW0464，以及别构激动剂LY3154207等。这些结构揭示了正构结合口袋识别配体的通用机制，阐明了非儿茶酚类药物结合受体的模式，揭示了DRD1上的别构调节位点，以及提出了DRD1对G蛋白选择性的机理。这些工作不光揭示了DRD1的配体识别和G蛋白偶联的结构基础，更为开发治疗高血压或者帕金森病所需的DRD1特异性激动剂提供了指导。
刘翔宇 简介：刘翔宇博士分别于2004年和2011年获得北京大学学士和博士学位。于2008年至2010年受国家留学基金委资助在丹麦奥胡斯大学交流学习。于2011年7月至2013年6月，以及2013年7月至2017年6月分别在北京大学生命科学学院和清华大学医学院从事博士后研究。2017年7月起在清华大学医学院担任助理研究员。于2019年8月加入清华大学药学院担任助理教授，开展独立研究，专注于GPCR的结构生物学和基于结构的药物设计研究
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.028
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本文转载自公众号“BioArt”（BioGossip）
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原标题：《【科技前沿】专家点评：邵振华/于晓/张磊/杜洋/孙金鹏课题组合作揭示多巴胺受体DRD1的配体识别和别构调节机制》
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