深圳先进院在冷冻电镜技术领域新突破
来源：深圳先进院 2021-02-18 11:26
近日，中科院深圳先进技术研究院计算机辅助药物设计中心袁曙光课题组与德国马普生物物理所合作，利用真实细胞膜冷冻电镜技术，解析了血清素受体5-HT3离子通道的高分率三维精细结构，并通过生物计算系统阐述了其信号转导的分子原理。张盈怡博士和Patricia M. Dijkman 为共同一作，袁曙光研究员和Mikhail Kudryashev研究
近日，中科院深圳先进技术研究院计算机辅助药物设计中心袁曙光课题组与德国马普生物物理所合作，利用真实细胞膜冷冻电镜技术，解析了血清素受体5-HT3离子通道的高分率三维精细结构，并通过生物计算系统阐述了其信号转导的分子原理。张盈怡博士和Patricia M. Dijkman 为共同一作，袁曙光研究员和Mikhail Kudryashev研究员为共同通讯。中科院深圳先进院的邹荣峰博士和Horst Vogel教授也参与了该工作。 相关工作发表在Nature Communications上（https://doi.org/10.1038/s41467-021-21016-7 ）。
图1. 5-HT3受体在真实细胞膜环境下的冷冻电镜三维结构
该工作首次突破性地证明传统的人造细胞膜环境下所解析的冷冻结构与真实细胞膜环境下的结构差异巨大（主链RMSD高达33Å），颠覆传统人们所认为的在人造细胞膜或者沉淀剂的环境下所解析的膜蛋白三维结构与其生理状态下的结构相同的观点。此外，通过全原子分子动力学模拟的方法，团队发现激动剂可以正常激活真实细胞膜环境下所解析的结构，而不能激活在人造细胞膜环境下所解析的结构。这一发现进一步佐证了人造细胞膜或沉淀剂环境下所解析的膜蛋白三维结构与真实生理状态差异巨大，不一定具有生理活性。
血清素受体是在中枢和周围神经系统中发现的一组G蛋白偶联受体(GPCR)和配体门控离子通道(LGIC)。他们同时介导“兴奋性”和“抑制性”神经传递。血清素受体被激活神经递质“血清素”，其充当它们的天然配体。血清素受体可分为七个亚科 5-HT1, 5-HT2, 5-HT3, 5-HT4, 5-HT5, 5-HT6, 5-HT7。至少有十四种受体亚型已被发现，包含G蛋白偶联受体和配体门控离子通道(G protein-coupled receptor and a ligand-gated ion channel)。血清素受体（或称5-羟色胺受体）位于动物神经细胞和其它类型细胞的细胞膜，并介导血清素作为内源性配体和广泛范围的药物和致幻药物的作用。除了5-HT3受体，配体门控离子通道(LGIC)，所有其他血清素受体是G蛋白偶联受体(GPCR)，其激活细胞内第二信使级联。（也称为七跨膜受体或七螺旋受体）。5-HT3与抑郁症、呕吐、止疼等疾病密切相关，是新药研发的重要靶点。
2014年，Horst Vogel教授首次解析出5-HT3在沉淀剂环境下的APO晶体结构（pdb: 4PIR），并发表在当年的Nature期刊上。 2018年，Chakrapani S课题组（PDB：6GDB）与Nury H课题组（PDB：6HIQ）分别在沉淀剂环境下解析出5-HT3与激动剂五羟色胺的复合物结构，并相继发表在Nature期刊上。为了验证两个结构的生理状态，两个课题组都引入了分子动力学模拟。Chakrapani S课题组在0.7 M NaCl 和0.2V跨膜电势的极端环境下模拟获得了连续水分子通路；Nury H课题组通过添加外力将离子强行“拽”出通道，从而激活离子通道。2020年，Jeffery B. Klauda课题组通过生理环状态下的长时间尺度分子动力学模拟证明Chakrapani S课题组和Nury H课题组所解析的结构在生理环境模拟情况下不能形成连续水分子通路，两个结构不具有典型的生理功能。相关工作发表在2020年PNAS上（doi: 10.1073/pnas.1908848117）。
图2. 真实细胞膜环境下的结构与人造细胞膜环境下5-HT3受体结构与功能的差异
本工作首次在真实细胞膜环境下解析出5-HT3受体的三维精细冷冻电镜结构（PDB：6Y5A）。其主链的RMSD与人造细胞膜环境下解析的结构差异高达33Å；离子通道半径差异高达5 Å。通过生理状态环境下的全原子分子动力学模拟发现，在人造细胞膜环境下解析的结构与激动剂结合后，不能激活5-HT3受体形成连续水分子通路，不能激活5-HT3受体行使生理功能和信号转导。而本团队在真实细胞膜环境下所解析的结构在相同条件下可以正常激活5-HT3离子通道并行使正常的信号转导。
目前，众多膜蛋白靶标的三维结构均在人造细胞膜和沉淀剂的环境下所解析。本工作突破性地在真实细胞膜环境下解析出重要膜蛋白靶标的三维结构，为基于结构的药物研发提供了可靠的理论基础，大大减少了新药研发的试错成本。(生物谷 bioon）
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