车涛等揭示致幻剂激活血清素受体的结构基础以及分子机制

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致幻剂是一种精神活性物质，它经常会引起幻觉、知觉异常以及思想、情感和意识方面的其他实质性主观变化，而其他类别的药物通常不会有如此程度的效果。致幻剂中具有代表性的，比如麦角酰二乙胺（LSD），迷幻蘑菇 （psilocybin）以及苯乙胺类物质，在世界各地的医药和宗教传统中有着悠久的使用历史；在近代由于“致幻”导致的一些副作用逐渐在医疗中被禁止使用，这也使得他们更多的被违法用于娱乐药物，类似于我们熟知的毒品。但是关于致幻类药物的好与坏的争论一直没有停止过。像psilocybin和LSD这样的致幻剂对许多神经精神疾病具有潜在的治疗作用【1】。例如，Psilocybin在两项抑郁症和焦虑症的II期临床试验中显示出疗效【2,3】。值得注意的是psilocybin的效果似乎既迅速又持久。同样在临床试验研究中，LSD也有报道称对丛集性头痛有疗效【4】，缓解临终疾病中的焦虑【5】。这些临床研究结果也支持一些致幻剂在安全剂量试用下可能也是治疗各种神经精神疾病的有效药物，比如抑郁症、焦虑症和药物滥用等疾病。

虽然致幻剂的确切作用机制在很大程度上仍不清楚，但是目前已知他们都是通过结合并激活体内一种血清素受体(HTR2A)来发挥作用。血清素受体 （serotonin receptors，天然配体为血清素5-HT）作为G蛋白偶联受体家族的成员之一，通过调节多种神经递质的释放与传递来影响各种生理活动，如攻击、焦虑、食欲、认知、学习、记忆、情绪、恶心、睡眠和体温调节等。HTR2A作为血清素受体中最重要的成员之一，也是抗精神病药物的主要靶点。已知5-HT2A受体主要是与Gαq信号转导途径偶联。当受体受到激动剂刺激时，Gαq和β-γ亚基解离，启动下游效应途径。Gαq刺激磷脂酶C(PLC)的活性，随后促进二酰甘油(DAG)和三磷酸肌醇(IP3)的释放，进而刺激蛋白激酶C(PKC)的活性和Ca2+释放。

为了进一步了解致幻剂作用的分子机制，2020年9月17日，北卡罗来纳大学教堂山分校的Bryan L. Roth研究团队和斯坦福的大学的Yiorgos Skiniotis团队合作在Cell 上发表了文章Structural insights into hallucinogen activation of Gq- coupled 5-HT2A serotonin receptors，通过低温冷冻电镜解析了HTR2A与一种典型苯乙胺类致幻剂25-CN-NBOH以及胞内信号蛋白Gαq的复合物的活性状态结构。

这也是首次获得GPCR结合Gαq的三维结构，之前的结构主要集中在其他G蛋白亚型（例如Gs, Gi）为了进行比较，研究人员还分别获得了HTR2A与LSD以及一种抑制剂（methiothepin）的X射线晶体结构。对这些不同状态的结构的比较揭示了致幻剂作为一种激动剂如何激活受体HTR2A以及与Gαq结构基础以及分子机制。鉴于致幻剂的潜在治疗作用，这些发现可能会有助于设计更多的HTR2A选择性配体，用于治疗各种神经精神疾病的药物。

如何获得25CN-NBOH-HTR2A-Gαq复合物结构? 解析该复合物结构最大的一个障碍就是获得稳定的Gαq蛋白。Gαq的单体状态很不稳定，但是当与另外两个亚基GG形成三聚体复合物时，稳定性会大大增加。文章第一作者Dr. Kim 博士因此采用融合蛋白的策略，构建了一个3-in-1的质粒，允许GαqGG能同时在昆虫细胞中表达并形成稳定三聚体，并最终成功获得与受体的复合物结构。

在获得HTR2A与激动剂或者抑制剂结合的活性状态或者非活性状态结构后，通过进一步比较获得1）受体从非激活状态到激活状态转变的分子机制；2）HTR2A选择性结合致幻剂结构基础；3）HTR2A选择性结合Gq而不是Gs或者Gi决定因素。这里需要指出的是致幻剂25CN-NBOH在与HTR2A相互作用上显示出一种独特的结合模式，不同于已报道的其他任何血清素受体的结合方式，这也为进一步了解该类致幻剂作用的分子机制提供了有用信息。

鉴于25CN-NBOH能特异结合HTR2A， 这也为阐述决定HTR2A的配体选择性的因素提供指导。目前临床上的抗抑郁药物或者抗精神疾病的药物作用机制主要是通过提升天然配体血清素的浓度从而激活血清素受体；但是这类药物具有1）发挥作用慢和2）易产生耐药性等缺点。致幻剂同时作为血清素受体激动剂并影响神经网络活动， 这种‘以毒攻毒’的作用方式为开发下一代抗抑郁等精神疾病药物提供了新的思路。

据悉，北卡罗来纳大学教堂山分校博士后Kuglae Kim, 车涛 (现于圣路易斯华盛顿大学任Assistant Professor), 和斯坦福大学Ouliana Panova 为本文并列第一作者。Georgios Skiniotis 和 Bryan L. Roth为共同通讯作者。UCSF的Brian K. Shoichet组也参与并对该研究提供重要帮助。

参考文献

1. D. Nutt, D. Erritzoe, R. Carhart-Harris, Psychedelic Psychiatry's Brave New World. Cell 181, 24-28 (2020).

2. R. L. Carhart-Harris et al., Psilocybin with psychological support for treatment-resistant depression: six-month follow-up. Psychopharmacology (Berl) 235, 399-408 (2018).

3. S. Ross et al., Rapid and sustained symptom reduction following psilocybin treatment for anxiety and depression in patients with life-threatening cancer: a randomized controlled trial. J Psychopharmacol 30, 1165-1180 (2016).

4.  R. A. Sewell, J. H. Halpern, H. G. Pope, Jr., Response of cluster headache to psilocybin and LSD. Neurology 66, 1920-1922 (2006).

5. P. Gasser, K. Kirchner, T. Passie, LSD-assisted psychotherapy for anxiety associated with a life-threatening disease: a qualitative study of acute and sustained subjective effects. J Psychopharmacol 29, 57-68 (2015).