Nat Comm ：汪胜/程建军合作揭示结构指导设计的多巴胺D2受体选择性配体

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G蛋白偶联受体（GPCR）是一类存在于细胞膜表面的包含七个跨膜区域的膜蛋白受体，其是制药行业中研究最深入的药物靶标，调节多种多样的生理过程【1】。

迄今为止，约有34％的美国食品药品监督管理局（FDA）批准药物是通过它们起作用的【2】。多巴胺受体属于G蛋白偶联受体，根据多巴胺受体与腺苷酸环化酶（AC）的作用关系，脑内多巴胺受体被分为D1类和D2类，其中D1类受体包括D1和D5亚型，D2类受体包括D2、D3和D4亚型【3】。

多巴胺D2受体是神经病学和精神病学中公认的重要药物靶标之一，其是精神分裂症和帕金森病的重要药物靶点。尽管从最初克隆多巴胺D2受体至今已经过去了30多年【4】，且已经有近27,000篇论文研究了多巴胺D2受体，但令人惊讶的是，没有真正的选择性多巴胺D2受体的配体可以作为研究该受体功能的探针。

主要原因之一是多巴胺D2类受体D2、D3和D4之间的配体结合口袋十分相似。与此同时，先前已解得的D2/risperidone复合物晶体结构中显示risperidone与受体结合的口袋是一个朝向外的开放性口袋【5】，这大大降低了以结构为指导的药物发现策略（SBDD）的成功率【6】，因而迄今为止，依旧未见多巴胺D2受体选择性配体的报道。

2020年2月26日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）汪胜研究组与上海科技大学iHuman研究所程建军研究组在Nature Communications上发表了文章Haloperidol bound D2 dopamine receptor structure inspired the discovery of subtype selective ligands，研究成果发现了独特存在于D2/haloperidol复合物结构中的药物结合口袋SEBP，并确定了决定多巴胺D2受体配体选择性以及功能选择性的F1103.28关键氨基酸位点，最后以结构为基础开发出D2受体选择性配体。

在本项研究中，研究人员利用X-射线晶体衍射技术成功解析了多巴胺D2受体与典型抗精神病药物haloperidol复合物的晶体结构。Haloperidol是多巴胺D2受体的拮抗剂且在结构上与多巴胺D2受体偏好性配体L-741626具有相似性。D2/haloperidol晶体结构相较于已解析的D2/risperidone晶体结构而言，其Trp100ECL1向偏离药物结合口袋一侧发生偏转进而腾出了一个更大的药物结合口袋SEBP，此口袋仅存在于D2/haloperidol晶体结构中。由于haloperidol可在一定程度上表征多巴胺D2受体偏好性配体的特性，因而SEBP的存在与多巴胺D2受体的选择性可能相关。

为了进一步确定决定多巴胺D2受体选择性的关键氨基酸位点，研究人员对SEBP相关的氨基酸位点进行了一系列点突变，最终发现F1103.28在多巴胺D2受体的配体选择性中发挥了十分重要的作用。除此之外，F1103.28同时与多巴胺D2受体的激活密切相关。与此同时，已有研究表明配体与受体结合的正构结合位点OBP也与受体激活密切相关，参与的关键氨基酸为S1935.42和S1975.46【7,8】。

因而，配体与受体结合的SEBP口袋和OBP口袋共同决定了多巴胺D2受体的激活，基于SEBP和OBP的结构信息，两个多巴胺D2受体的选择性配体O4SE6和O8LE6被设计并发现，它们在全部320个非嗅觉类GPCR中仅选择性的激活多巴胺D2受体，是一类多巴胺D2受体选择性的激动剂。

结构介导的多巴胺D2受体的选择性配体的开发

该研究阐明了多巴胺D2受体发挥选择性的分子机制并以结构为导向开发出多巴胺D2受体的选择性配体；选择性配体的发掘不仅有助于研究多巴胺D2受体在体内以及疾病中的功能；而且在进一步的相关疾病治疗中，有助于避免传统药物脱靶而产生的副作用。同时，基于结构与功能的小分子筛选将会有更大的应用价值，它会加速选择性配体的发现以区分目前仍是药物靶标的极其相似的受体。

据悉，生化细胞所汪胜研究员与上海科技大学iHuman研究所程建军研究员为本文共同通讯作者，汪胜实验室硕士研究生樊鲁玉与程建军实验室博士后谭亮为本文共同第一作者。该项工作同时得到了苏州大学罗智璞教授的大力帮忙。

中国科学院生物化学与细胞生物学研究所汪胜研究组主要研究方向是膜蛋白功能与结构药理学。研究组主要关注多巴胺受体和血清素受体的结构药理学特征，并且期望利用结构特征借助分子对接技术虚拟筛选小分子化合物。实验室前期已经成功揭示了D2多巴胺受体识别抗精神病药物的特别模式，D4多巴胺受体的专一结合口袋，著名致幻剂LSD的药理特征（Nature 2018; Science 2017; Cell 2017），并且拥有成熟的经验利用结构特征筛选小分子化合物（Nat. Commun. 2020; Nature 2019; Science 2017）。

参考文献

1. Wacker, D., Stevens, R. C. & Roth, B. L. How Ligands Illuminate GPCR Molecular Pharmacology. Cell170, 414-427, doi:10.1016/j.cell.2017.07.009 (2017).

2. Hauser, A. S., Attwood, M. M., Rask-Andersen, M., Schioth, H. B. & Gloriam, D. E. Trends in GPCR drug discovery: new agents, targets and indications. Nat Rev Drug Discov 16, 829-842, doi:10.1038/nrd.2017.178 (2017).

3. Sibley, D. R. & Monsma, F. J., Jr. Molecular biology of dopamine receptors. Trends Pharmacol Sci 13, 61-69, doi:10.1016/0165-6147(92)90025-2 (1992).

4. Dal Toso, R. et al. The dopamine D2 receptor: two molecular forms generated by alternative splicing. The EMBO journal 8, 4025-4034 (1989).

5. Wang, S. et al. Structure of the D2 dopamine receptor bound to the atypical antipsychotic drug risperidone. Nature 555, 269-273, doi:10.1038/nature25758 (2018).

6. Fauman, E. B., Rai, B. K. & Huang, E. S. Structure-based druggability assessment--identifying suitable targets for small molecule therapeutics. Curr Opin Chem Biol 15, 463-468, doi:10.1016/j.cbpa.2011.05.020 (2011).

7. Warne, T. et al. The structural basis for agonist and partial agonist action on a beta(1)-adrenergic receptor. Nature 469, 241-244, doi:10.1038/nature09746 (2011).

8. Masureel, M. et al. Structural insights into binding specificity, efficacy and bias of a beta2AR partial agonist. Nat Chem Biol14, 1059-1066, doi:10.1038/s41589-018-0145-x (2018).