研究揭示多巴胺受体D1R与多巴胺结合特性及潜在变构调节机制

多巴胺（dopamine，DA）是人体中重要的单胺类神经递质，参与对中枢神经系统（CNS）及外周神经系统（PNS）多种生理功能的调控。在CNS中，DA介导神经细胞之间的信号传递，在大脑奖励机制、动机产生、欣快感发生及行为调节等生理过程中发挥作用，而在PNS中，DA则主要是作为一种旁分泌信使，参与对血压、消化系统以及免疫功能等的调控。DA通过人体内的多巴胺受体（dopamine receptors，DRs）进行信号传递。DRs家族属于G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor， GPCR），包括D1R到D5R共五个受体成员。按照偶联下游G蛋白种类的不同，这些受体可以进一步分为D1类受体和D2类受体两组。D1类受体包含D1R和D5R，主要与激活型G蛋白Gs偶联，刺激下游第二信使环状单磷酸腺苷（cAMP）的生成，进而影响细胞信号通路和功能。D1R的功能失调和帕金森氏病、精神分裂症、药物成瘾等神经系统疾病相关，使之成为治疗神经精神类疾病药物研究的重要靶点。

内源性配体DA及其他靶向D1R的合成类激动剂药物等正性结合配体，通过作用于D1R近胞外区的正性结合口袋激活受体。这些正性激动剂对受体的激活效应可被变构调节剂调节。与正性结合配体相比较，变构调节剂具有更高的GPCR亚型选择性和功能选择性等优势，表现出良好的成药潜力。正性变构调节剂（positive allosteric modulator，PAM）可增强正性激动剂引起的胞内信号响应，与之起到功能的协同作用。目前，已报道多种D1R PAM，包括CID2886111、DETQ及LY3154207等，然而，这些PAM如何调节D1R构象并促进D1R激动剂活性的分子机制尚不清楚。此外，作为DRs的内源性配体，DA如何识别并激活DRs，这一科学问题未得到阐释。

前期，中国科学院上海药物研究所徐华强课题组联合国内外多家单位，解析并报道了D1R结合选择性及非选择性激动剂等多个信号复合体的高分辨率结构，结合多项功能实验数据，揭示了激活态D1R的配体选择性以及G蛋白选择性差异上的结构基础等分子机制。在此基础上，徐华强课题组联合浙江大学教授张岩课题组、美国北卡罗来纳大学教堂山分校教授Bryan L. Roth课题组等，对D1R内源性配体DA及正性变构调节剂的结合以及调节机制进行了进一步探索，解析了在PAM LY3154207结合下，内源性配体DA及合成类选择性激动剂SKF81297分别激活D1R形成的D1R-Gs信号复合体的近原子分辨率结构，并结合突变功能实验分析，揭示了DA及LY3154207的配体结合口袋拓扑结构特性以及LY3154207对D1R的潜在变构调节机制等，为设计更为合理高效的治疗CNS疾病的靶向D1R药物提供了重要的结构基础和理论依据。相关研究成果在线发表在Cell Research上。

研究发现，DA和SKF81297与D1R的相互作用整体相似，不同的是，DA缺乏与D1R互作的延伸结合口袋（Extended binding pocket，EBP），这使得其对D1R的亲和力比SKF81297更弱。此外，研究还发现，在SKF81297结合下，D1R的胞外区loop 2（ECL2）中的D187朝向TM2和TM7的极性氨基酸K81和D314，形成一个潜在的极性相互作用网络，而这种结构特征在DA结合下D1R的结构中不存在。与此对应的是，D1R-DA的整个近胞外端口袋在拓扑结构上比D1R-SKF81297的结合口袋更为开放，这预示着DA和SKF81297与D1R在结合动力学特性上存在差异。

较高分辨率的结构使得PAM LY3154207的结合模式能够在D1R上清楚地得到展示。LY3154207以船式构象结合到D1R胞内区loop 2（ICL2）的正上方，介于TM3和TM4之间，这一结合模式与β2AR的PAM Cmpd-6FA与β2AR的结合类似。研究中LY3154207的结合模式与先前研究通过计算机分子动力学模拟得出的LY3154207的构象不同。近期，四川大学邵振华团队等报道了D1R结合LY3154207的结构，然而，研究中LY3154207的结合模式与已报道的D1R结构中的LY3154207的构象也存在显着区别。对比LY3154207存在以及不存在时D1R-SKF81297的结构发现，D1R-SKF81297-LY3154207结构中正性激动剂SKF81297的结合模式比D1R-SKF81297结构中的深0.6埃，使得其与S198形成更多的氢键相互作用。LY3154207结合下SKF81297与D1R能形成更大的极性相互作用网络，这表明，LY3154207可通过D1R的构象改变促进正性激动剂的结合，从而使得D1R维持在激活态，进而增强正性激动剂的激活效应。(生物谷Bioon.com）