*仅供医学专业人士阅读参考
点击右上方“关注”， 准时接收每日精彩内容推送。
成瘾药物作用靶点TAAR1的分子识别机制
药物成瘾问题一直以来都是严重威胁人类健康和社会秩序的重大挑战。其中，甲基苯丙胺（METH，*毒冰**的主要成分）的滥用尤为引人担忧，因其强烈的成瘾性和危害性而备受关注。然而，迄今为止，尚未出现可以有效诊治METH成瘾的上市药物，这加剧了应对药物成瘾问题的紧迫性。
METH成瘾的主要机制涉及多巴胺释放和再摄取，这一过程在神经科学领域已经得到广泛的认可和研究。然而，最新研究表明，METH可能通过直接与痕量胺相关受体1（TAAR1）结合，并激活与G蛋白相关的信号通路，起到了调控METH信号传导的关键作用。这一新的发现引发了对TAAR1的广泛关注，因为TAAR1还被认为在调节METH和其他胺类分子的神经生物效应中发挥关键作用，同时还涉及到一些与精神分裂症等精神疾病相关的临床候选药物。
2023年11月7日， 中国科学院上海药物研究所 徐华强(H. Eric Xu )研究员 、上海科技大学徐菲副教授 课题组，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心汪胜 课题组和上海刑事科学技术研究院刘文斌 等人合作， 揭示了人类TAAR1与G蛋白的复合物的结构，这些复合物分别与METH和β-PEA、RO5256390（TAAR1选择性激动剂）以及SEP-363856（TAAR1和5-HT1AR受体的双重激动剂）结合。通过系统的突变和功能研究，研究揭示了METH的识别分子基础以及TAAR1与其他单胺类受体之间的选择性和多药性作用机制 。研究人员还识别了一个类似盖子的ECL2螺旋/环结构以及配体结合口袋中的氢键网络，这些结构特征可能有助于TAAR1的配体识别。这些发现将有助于指导下一代药物成瘾和各种神经系统疾病的治疗方法的开发。该研究成果以“Recognition of methamphetamine and other amines by trace amine receptor TAAR1”为题，发表在 Nature 期刊上。共同第一作者是中国科学院的Heng Liu和Yue Wang，上海科技大学 You Zheng，中国科学院大学Yumeng Wang。
【四种TAAR1激动剂的功能评估】
研究团队使用不同实验方法，如Glo-Sensor实验、Gs异二聚体招募实验和放射性配体结合实验，评估了四种TAAR1激动剂（METH、SEP-363856、β-PEA和RO5256390）在激活人类TAAR1的Gs信号通路中的效力。结果表明，这些激动剂的效力有差异，其中RO5256390被认为是最强的，其次是β-PEA、SEP-363856和METH。这些数据对TAAR1的药理学研究提供了可靠的信息。
【 METH活化的TAAR1复合物的整体结构】
为了研究METH与TAAR1的分子识别，采用了BRIL融合技术，将BRIL蛋白融合到人类全长TAAR1的N-端，然后使用NanoBiT联结策略来形成TAAR1-Gs复合物。这个复合物的结构通过单颗粒冷冻电子显微镜（cryo-EM）分析得到，分辨率为2.8 Å。结构分析揭示了TAAR1的整体结构，包括跨膜结构域、外胞膜环1-3、短的胞内环2螺旋和H8的两性螺旋。特别值 得注意的是，外胞膜环2（ECL2）形成了一个额外的螺旋，覆盖在配体结合口袋的盖子上，这种结构与传统的胺能受体经常观察到的类似。这个发现有助于理解METH与TAAR1的相互作用。
图1. 四种TAAR1激动剂在激活TAAR1方面的功能评估以及METH-TAAR1-Gs复合物的整体结构。
【METH在TAAR1中的结合模式和相互作用机制】
1. METH在TAAR1中的结合位置：METH占据了TAAR1的正交性结合口袋，该口袋由跨膜螺旋3、5、6和7（TM3、TM5、TM6和TM7）构成，并由ECL2环（ECL2loop，残基180-186）和ECL2螺旋的上部分（ECL2helix，残基175-179）覆盖。
2. METH在TAAR1中的识别：METH与TAAR1的识别主要基于其两个化学部分，即苯基丙基和氨甲基部分。其中最显著的相互作用是氨甲基部分中的次级胺与TAAR1的残基D1033x32之间的极性相互作用。此相互作用方式与已知的所有胺能受体，包括5-HT受体和多巴胺受体，共享相同的方式。此外，D1033x32在TAAR1中通过直接与Y2947x43和H993x28形成氢键进一步稳定。此外，Y2947x43与S802x61形成氢键，形成由D1033x32、Y2947x43、S802x61、R832x64和H993x28残基构成的氢键网络。这些相互作用和网络在药物的识别和选择性中发挥重要作用。
3. 结构和突变研究：研究团队进行了突变研究，通过改变关键相互作用残基，如D1033x32、Y2947x43、S1073x36以及构成氢键网络的其他残基，来评估TAAR1的激活是否受到影响。结果表明，这些突变会显著减弱TAAR1对METH的激活能力，强调了这些相互作用在METH的识别中的重要性。
图2. TAAR1的METH结合口袋。
【β-PEA在TAAR1中的结合模式和相互作用机制】
与METH类似，β-PEA也占据了TAAR1的正交性结合口袋，与TAAR1的一系列氨基酸残基之间形成极性相互作用和氢键网络，包括D1033x32、Y2947x43、S1073x36、H993x28、R832x64和S802x61。研究团队进行了突变研究，通过改变与β-PEA相互作用的关键残基，如D1033x32和Y2947x43，以评估它们对TAAR1的激活能力的影响。结果表明，这些突变几乎完全阻止了β-PEA激活TAAR1的能力。同样，与β-PEA直接相互作用的残基的突变也导致了cAMP产生的丧失。实验结果表明，与METH相比，β-PEA在激活TAAR1方面的效力高出10倍以上。分子动力学模拟结果表明，β-PEA在TAAR1口袋中的稳定性明显高于METH，而D1033x32、S1073x36和Y2947x43被认为是导致β-PEA相对于METH效力更高的关键因素。
图3. TAAR1对β-PEA的识别
【SEP-363856作为TAAR1和5-HT1AR受体的双激动剂活性的结构基础】
SEP-363856，一种有望用于治疗精神分裂症和其他精神障碍的候选药物。研究团队确定了TAAR1和5-HT1AR与SEP-363856结合的结构，分辨率分别为2.6 Å和3.0 Å。在这些结构中，SEP-363856占据了相同的正交性结合口袋，并采用了类似的"L"形结合姿势。
SEP-363856的N-甲基甲胺基团朝向TM3和TM6，其带正电的氮原子形成盐桥与TM3中的D3x32侧链相互作用，而Y7x43也参与稳定这一相互作用。SEP-363856的噻吩吡喃部分占据了结合口袋的区域，与周围的残基相互作用，包括3x33、3x36、45x52、45x54、6x48、6x51、6x52。这些相互作用为SEP-363856与TAAR1或5-HT1AR的识别提供了基础。这些不同的相互作用方式解释了SEP-363856对TAAR1相对于5-HT1AR的高效力，后者的激活效力低于前者的100倍。这些关键相互作用和结构差异通过功能性实验和序列比对进行了验证。
图4. SEP-363856多药性和选择性的结构基础
【RO5256390与TAAR1的高效力结合模式的分子机制】
RO5256390，一种对TAAR1具有高选择性和亚纳摩尔级别效力的激动剂。RO5256390的结构由苯基丁基和噁唑-2-胺部分组成，其结合方式形成'λ'形状在结合口袋内，其中苯基丁基的甲基部分朝向ECL2，而噁唑-2-胺部分插入由D1033x32、S1073x36、W2646x48、Y2947x43形成的腔内。RO5256390与TAAR1之间的高效力建立在多个相互作用基础上，包括苯基丁基部分与V18445x52和I2907x39的疏水相互作用、噁唑环与Y2947x43的π-π相互作用，以及2-胺基团与S1073x36的氢键相互作用。研究证实RO5256390在激活TAAR1上的效力明显高于5-HT1AR，且在与5-HT1AR的交互作用下，最大激活较低。这种选择性是由TAAR1中的S1073x36与5-HT1AR中的半胱氨酸之间的氢键相互作用差异所导致的。
通过与其他胺类受体，尤其是5-HT4R和β2AR的结构比较，揭示了TAAR1的激活机制。这些结构表明TAAR1在活化状态时发生了构象变化，包括下行转换开关氨基酸W2646x48的移动。这些变化符合经典胺类受体的激活机制。
图5. TAAR1激动剂识别的保守和多样特征
【小结展望】
该论文讨论了关于TAAR1激动剂的不同方面，包括METH的激动机制、SEP-363856的多效性结构、TAAR1作为治疗成瘾和神经精神疾病的治疗靶点以及TAAR1激动剂对不同TAAR亚型的选择性。总之，该研究强调了TAAR1的作用以及TAAR1激动剂对于成瘾、神经精神疾病和其他疾病治疗的重要性，同时也指出了未来研究中的一些方向和挑战。
了解更多
关注“EngineeringForLife”，了解更多前沿科研资讯~
