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冷冻电镜技术领域新突破


血清素受体是在中枢和周围神经系统中发现的一组G蛋白偶联受体(GPCR)和配体门控离子通道(LGIC)。他们同时介导“兴奋性”和“抑制性”神经传递。血清素受体被激活神经递质“血清素”,其充当它们的天然配体。血清素受体可分为七个亚科 5-HT1, 5-HT2, 5-HT3, 5-HT4, 5-HT5, 5-HT6, 5-HT7。至少有十四种受体亚型已被发现,包含G蛋白偶联受体和配体门控离子通道(G protein-coupled receptor and a ligand-gated ion channel)。血清素受体(或称5-羟色胺受体)位于动物神经细胞和其它类型细胞的细胞膜,并介导血清素作为内源性配体和广泛范围的药物和致幻药物的作用。除了5-HT3受体,配体门控离子通道(LGIC),所有其他血清素受体是G蛋白偶联受体(GPCR),其激活细胞内第二信使级联。(也称为七跨膜受体或七螺旋受体)。5-HT3与抑郁症、呕吐、止疼等疾病密切相关,是新药研发的重要靶点。

2014年,Horst Vogel教授首次解析出5-HT3在沉淀剂环境下的APO晶体结构(pdb: 4PIR),并发表在当年的Nature期刊上。 2018年,Chakrapani S课题组(PDB:6GDB)与Nury H课题组(PDB:6HIQ)分别在沉淀剂环境下解析出5-HT3与激动剂五羟色胺的复合物结构,并相继发表在Nature期刊上。为了验证两个结构的生理状态,两个课题组都引入了分子动力学模拟。Chakrapani S课题组在0.7 M NaCl 和0.2V跨膜电势的极端环境下模拟获得了连续水分子通路;Nury H课题组通过添加外力将离子强行“拽”出通道,从而激活离子通道。2020年,Jeffery B. Klauda课题组通过生理环状态下的长时间尺度分子动力学模拟证明Chakrapani S课题组和Nury H课题组所解析的结构在生理环境模拟情况下不能形成连续水分子通路,两个结构不具有典型的生理功能。相关工作发表在2020年PNAS上(doi: 10.1073/pnas.1908848117)。

本工作首次在真实细胞膜环境下解析出5-HT3受体的三维精细冷冻电镜结构(PDB:6Y5A)。其主链的RMSD与人造细胞膜环境下解析的结构差异高达33Å;离子通道半径差异高达5 Å。通过生理状态环境下的全原子分子动力学模拟发现,在人造细胞膜环境下解析的结构与激动剂结合后,不能激活5-HT3受体形成连续水分子通路,不能激活5-HT3受体行使生理功能和信号转导。而本团队在真实细胞膜环境下所解析的结构在相同条件下可以正常激活5-HT3离子通道并行使正常的信号转导。

目前,众多膜蛋白靶标的三维结构均在人造细胞膜和沉淀剂的环境下所解析。本工作突破性地在真实细胞膜环境下解析出重要膜蛋白靶标的三维结构,为基于结构的药物研发提供了可靠的理论基础,大大减少了新药研发的试错成本。

Tags: 冷冻电镜 药物设计 膜蛋白