【科技前沿】徐华强/张岩等合作揭示多巴胺受体D1R与多巴胺结合特性以及潜在变构调节机制

多巴胺（dopamine，DA）是人体内一种重要的单胺类神经递质，参与对中枢神经系统（CNS）以及外周神经系统（PNS）的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、欣快感发生以及行为调节等生理过程中发挥作用，而在PNS中，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。其中，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的功能失调和包括帕金森氏病、精神分裂症、药物成瘾在内的多种神经系统疾病相关，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以及其他靶向D1R的合成类的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。其中，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以及LY3154207等，然而，这些PAM如何调节D1R构象并促进D1R激动剂的活性的分子机制长期处于未知状态。此外，作为DRs的内源性配体，DA是如何识别并激活DRs这一科学问题也一直未得到阐释。

前期，徐华强课题组联合国内外多家合作单位，解析并报道了D1R结合选择性以及非选择性激动剂在内的多个信号复合体高分辨率结构，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（详见BioArt报道：Cell | 徐华强/张诚/张岩合作揭示激活态多巴胺受体D1R和D2R配体选择性和G蛋白选择性的机理）【1】。

在此基础上，2021年3月9日，徐华强课题组联合张岩课题组以及Bryan L. Roth课题组等在Cell Research期刊上发表文章Mechanism of dopamine binding and allosteric modulation of the human D1 dopamine receptor，对D1R内源性配体DA以及正性变构调节剂的的结合以及调节机制进行了进一步的探索，解析了PAM LY3154207结合下，内源性配体DA以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，结合突变功能实验分析，揭示了DA 以及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，为靶向D1R合理设计更为高效和受体亚型选择性的激动剂药物用于治疗CNS疾病提供了重要的结构基础和理论依据。

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，研究人员发现，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。值得注意的是，本研究中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【2】。近期，四川大学邵振华团队等报道了D1R结合LY3154207的结构（详见BioArt报道：专家点评Cell | 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）【3】，然而，本研究中LY3154207的结合模式与已报道的D1R结构中的LY3154207的构象也存在显著区别。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 Å，使得其与S198形成更多的氢键相互作用。LY3154207结合下SKF81297与D1R形成更大的极性相互作用网络表明，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。

图1. LY3154207结合下DA-D1R-Gs以及SKF81297-D1R-Gs复合物的结构。a. DA、SKF81297以及LY3154207的化学结构式。b. DA-LY3154207-D1R-Gs以及SKF81297-LY3154207-D1R-Gs复合物的冷冻电镜结构密度图以及对应的三维结构模型。c-d. DA和SKF81297结合口袋切面图展示（c）以及两者与D1R的相互作用（d）。

图2. LY3154207在D1R-Gs复合物中的结合模式（a）及其与D1R的相互作用界面（b）。

本研究冷冻电镜数据在上海药物所冷冻电镜平台以及浙江大学冷冻电镜中心收集。上海药物所2020届博士毕业生庄友文、北卡罗来纳大学教堂山分校Brian. Krumm以及浙江大学基础医学院博士生张会冰为该论文的共同第一作者。徐华强研究员、张岩教授以及Bryan L. Roth教授为共同通讯作者。上海药物所为本研究第一完成单位。研究工作同时得到了上海药物所蒋华良院士的支持和帮助。

1. Zhuang, Y. et al. Structural insights into the human D1 and D2 dopamine receptor signaling complexes. Cell 184, 931-942 e918, doi:10.1016/j.cell.2021.01.027 (2021).

2. Hao, J. et al. Synthesis and Pharmacological Characterization of 2-(2,6-Dichlorophenyl)-1-((1S,3R)-5-(3-hydroxy-3-methylbutyl)-3-(hydroxymethyl)-1-methyl-3,4-dihydroisoquinolin-2(1H)-yl)ethan-1-one (LY3154207), a Potent, Subtype Selective, and Orally Available Positive Allosteric Modulator of the Human Dopamine D1 Receptor. J Med Chem 62, 8711-8732, doi:10.1021/acs.jmedchem.9b01234 (2019).

3. Xiao, P. et al. Ligand recognition and allosteric regulation of DRD1-Gs signaling complexes. Cell 184, 943-956 e918, doi:10.1016/j.cell.2021.01.028 (2021).

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