在我們的大腦中，有一種快樂神經遞質——5-羥色胺（又稱血清素，5-HT），它幫助我們感受愉悅、放鬆和自信，讓我們產生滿足感和幸福感。5-羥色胺能調節我們的認知與情感，當它的含量升高時，我們會感到愉快；當它的含量下降時，我們則會感覺焦慮、沮喪，甚至產生抑鬱症。5-羥色胺的大部分生理功能是由細胞膜上的G蛋白偶聯受體（GPCR）介導的，在人體中，有12種5-羥色胺G蛋白偶聯受體，這些受體是治療精神分裂症、抑鬱症、偏頭痛等疾病的重要藥物靶標。
科學家們長期致力於5-羥色胺家族受體的結構與功能研究，但是由於技術的困難性，大部分5-羥色胺家族受體的結構未能得到解析。目前關於5-羥色胺家族受體的功能機制研究還存在三大科學問題亟待攻克：第一，5-羥色胺受體與其他膜受體一樣受到細胞膜上的磷脂和膽固醇的調節，但是目前還尚不清楚這些分子是如何調節它們的生理功能的；第二，很多5-羥色胺受體都存在組成性啟用，即沒有激動劑結合時依然存在一定活性，但這種啟用機制未知；第三，作為多種藥物的靶點，5-羥色胺受體與不同藥物結合的分子機制仍未知。
2021年3月24日，浙江大學張巖研究員團隊聯合中國科學院上海藥物研究所徐華強/蔣軼團隊，歷經多年攻關，共同在
Nature
雜誌上發表了最新研究成果
“Structural insights into the lipid and ligand regulation of serotonin receptors”
，這項工作成功實現該領域的多個技術突破，成功解析了三個不同種類的5-羥色胺受體的五個結構，回答瞭如上三大科學問題。該工作揭示了磷脂PI4P（PtdIns4P）和膽固醇如何調節受體的功能，以及藥物阿立哌唑（Aripiprazole）如何識別5-羥色胺受體。阿立哌唑是臨床用於治療精神分裂症的一線用藥，同時被用於治療抑鬱症、雙相障礙、自閉症等重要精神類疾病。
圖1。 5-HT1A、5-HT1D和5-HT1E受體與配體和Gi蛋白複合物的冷凍電鏡結構
研究團隊採用單顆粒冷凍電鏡技術，
首次解析了共5個近原子解析度的5-羥色胺受體與Gi蛋白（抑制型G蛋白）的複合物結構
（2。9~3。1埃）（圖1）：分別是未結合配體狀態下的5-HT1A受體結構、結合內源性小分子配體5-HT的5-HT1A受體結構、結合藥物阿立哌唑的5-HT1A受體結構、結合5-HT的5-HT1D受體結構以及結合選擇性小分子激動劑BRL-54443的5-HT1E受體結構。
圖2。 5-HT1A受體的磷脂和膽固醇調節
該研究
首
次在5-HT1A受體複合物的受體與Gi蛋白作用介面發現了磷脂分子，並鑑定該分子為PtdIns4P。
PtdIns4P結構中的兩條14-16個碳原子的脂肪鏈與受體跨膜螺旋TM6和TM7以及受體第八個螺旋H8形成了廣泛的疏水作用，其極性頭部插入受體MT3、TM6和TM7以及Gi蛋白α亞基的α5螺旋形成的口袋（圖2a）。研究人員進而藉助peptidisc技術，發現多種細胞膜脂質均具有不同程度的G蛋白啟用活性，其中PtdIns4P對G蛋白的啟用效果最為顯著（圖2b）。同時，PtdIns4P可發揮正向別構調節作用。除ptdIns4P外，研究人員在受體與細胞膜介面發現了至少10個膽固醇分子，其中2個膽固醇分子包夾了PtdIns4P的一條脂肪鏈，形成“三明治”樣的空間結構（圖2c），並驗證了膽固醇分子在受體功能調節中的關鍵作用。
圖3。 水分子對5-HT1A受體組成性啟用的調控
在未結合配體的5-HT1A受體結構中，
研究人員在配體正向結合口袋中發現了多個水分子的密度。
部分水分子排列在與5-HT結構類似的平面上，並與受體形成了穩定的氫鍵相互作用，其中包括5-HT與受體結合中保守的氫鍵（圖3）。研究人員進一步利用分子動力學模擬證實了該水分子能模擬內源性配體5-HT與受體形成氫鍵從而介導了5-HT1A受體的組成性啟用。
圖4。 5-HT1A、5-HT1D和5-HT1E受體配體識別選擇性的分子機制
另外，該研究
為揭示抗精神分裂症和抗抑鬱藥物阿立哌唑的選擇性提供了重要的結構基礎。
作為5-HT1A受體的高選擇性配體，阿立哌唑對5-HT1B、5-HT1D和5-HT1E受體的活性弱10-1000倍1。該研究發現結合阿立哌唑的5-HT1A受體的TM7胞外端相對其他低選擇性受體亞型發生3埃的外移，從而形成了相對更大的配體結合口袋容納阿立哌唑的喹啉酮基團（圖4c）。同時，研究人員發現結合於5-HT1A受體周圍的一個膽固醇分子參與阿立哌唑配體結合口袋的形成和維持配體喹啉酮基團附近TM1和TM7構象的作用。這些發現共同揭示了阿立哌唑對5-HT1A受體的高選擇性機制（圖4d）。
綜上，本研究首次解析了未結合配體的5-HT1A受體，以及5-HT1A、5-HT1D和5-HT1E受體與小分子配體或治療藥物及其Gi蛋白複合物的5個近原子解析度冷凍電鏡結構。結合基於結構的功能分析，本研究首次闡述了PtdIns4P和膽固醇分子在5-HT受體的配體識別和G蛋白偶聯中的關鍵作用，並揭示了5-HT受體的組成性啟用機制，以及包括抗精神分裂治療藥物阿立哌唑在內的配體選擇性識別5-HT受體亞型的分子機制。
血清素、多巴胺、內啡肽，是人類快樂最重要的三種物質。張巖團隊近期連續發表了三篇關於多巴胺及其受體的結構功能研究工作（Cell 2021， Molecular Cell 2021， Cell Research 2021），連同本次工作，研究團隊為我們打開了通往幸福快樂的大門！
浙江大學基礎醫學院博士生張會冰和博士後毛春友、上海藥物研究所與浙江大學基礎醫學院聯合培養博士生徐沛雨、上海藥物研究所與上海科技大學聯合培養博士生黃思婕、美國溫安洛研究所X。 Edward Zhou和上海藥物研究所程曦副研究員為本文共同第一作者。浙江大學為第一完成單位。
編輯 | 陳曉陽
排版 | 林軒涵
本文來源於“浙江大學醫學院”