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《Alzhe & Demen |上海药物所合作揭示抑制多巴胺转运体促进溶酶体生成并改善小鼠阿尔茨海默病样症状的机制》

  • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
  • 编译者： hujm
  • 发布时间：2023-04-17

  • 　　溶酶体是细胞内负责物质降解的重要细胞器，其内部含有蛋白酶、酯酶等多种水解酶，可降解多种大分子物质，包括蛋白质和脂类等。溶酶体功能紊乱导致胞内物质不能被正常降解进而诱发多种重大疾病如神经退行性疾病等。阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一种典型的神经退行性疾病，其主要病理特征是脑部毒性蛋白Aβ的累积，进而导致神经元死亡和认知记忆等功能受损。因此，促进溶酶体生成，增强其降解Aβ淀粉样蛋白的功能，对改善AD具有重要意义。

    　　中国科学院上海药物研究所柳红和周宇团队联合复旦大学基础医学院药理学系李洋团队，合作揭示了一种溶酶体生成的调控新机制，阐明了多巴胺转运体在调控蛋白质量控制过程中的新作用，并发现了可改善AD症状的新型小分子化合物 LH2-051，为临床抗AD候选药物的研发提供了良好的理论基础和治疗新机制，即DAT-CDK9-TFEB信号通路。近日，相关成果“Inhibition of the dopamine transporter promotes lysosome biogenesis and ameliorates Alzheimer's disease-like symptoms in mice”以Featured Article正式发表于阿尔茨海默病研究领域顶尖期刊Alzheimer's & Dementia上，并应邀撰写评论性文章发表于自噬领域高水平期刊Autophagy上。

    　研究团队发现以LH2-051为代表的一类结构新颖的小分子化合物可以通过抑制多巴胺转运体(Dopamine transporter, DAT)的功能来促进转录因子EB (TFEB)的活化，进而促进溶酶体的生成。小分子化合物LH2-051结合DAT后，诱导DAT从细胞膜转位至溶酶体膜上，随后溶酶体膜上的DAT调控周期蛋白依赖性激酶9 (Cyclin-Dependent Kinase 9, CDK9)在溶酶体膜上的定位并导致CDK9从溶酶体释放下来而失去磷酸化TFEB的能力，进而激活TFEB进入细胞核，促进溶酶体生成相关的基因表达，最终促进溶酶体生成。APP/PS1转基因AD小鼠模型显示LH2-051处理后能显著促进小鼠大脑海马和皮层中溶酶体的生成及Aβ降解，并可以显著改善小鼠行为学表现。该项工作揭示了全新的溶酶体调控机制，为AD药物研发提供了一条崭新的研究策略。

    　　上海药物所-南京中医药大学联合培养博士研究生周建辉和复旦大学基础医学院药理学系博士研究生尹利敏为该论文共同第一作者。上海药物所柳红研究员、周宇研究员和复旦大学基础医学院药理学系李洋青年研究员为该论文的共同通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金、科技部脑科学与类脑研究重大专项等项目的资助。

    　　全文链接：

    　　https://alz-journals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/alz.12776

    　　https://doi.org/10.1080/15548627.2022.2131247

  • 原文来源：http://www.simm.ac.cn/web/xwzx/kydt/202304/t20230417_6739369.html
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  • 《Cell Res：上海药物所徐华强课题组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》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2021-03-15
    • 多巴胺（dopamine，DA）是人体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）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，DA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以及其它靶向D1R的合成类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如何识别并激活DRs，这一科学问题也一直未得到阐释。 　　前期，上海药物所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的高分辨率结构，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1。在此基础上，徐华强课题组联合张岩课题组以及Bryan L. Roth课题组等对D1R内源性配体DA以及正性变构调节剂的结合以及调节机制进行了进一步探索，解析了在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，并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，为设计更为合理高效的治疗CNS疾病的靶向D1R药物提供了重要的结构基础和理论依据。相关成果于2021年3月9日在线发表于国际知名期刊Cell Research. 　　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 埃，使得其与S198形成更多的氢键相互作用。LY3154207结合下SKF81297与D1R能形成更大的极性相互作用网络，这表明，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。 　　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。该工作获得了上海市市级科技重大专项、科技部重点研发计划、中国科学院先导项目、国家自然基金委、浙江省自然基金委以及美国国立卫生研究院等的项目资金资助。 参考文献 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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  • 《上海药物所徐华强课题组合作揭示多巴胺受体D3配体选择性和激活Gi的结构基础》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2021-03-04
    • 多巴胺（dopamine, DA）是人体中枢神经系统和周围神经系统的主要神经递质之一，通过结合多巴胺受体发挥众多重要的生理功能，包括学习、记忆、认知、奖励、情感、调节情绪和控制运动等1。多巴胺受体属于G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor, GPCR）超家族，包含D1R到D5R共五个受体成员，其中D1R和D5R两个亚型偶联激活型G蛋白（Gs），而D2R、D3R和D4R通过激活抑制型G蛋白（Gi）发挥其生物学功能。多巴胺信号转导的失衡和改变是导致多种精神类疾病的原因之一，这些疾病包括帕金森症（parkinson's disease）、精神分裂症、阿尔兹海默症和亨廷顿氏病等。作为多巴胺受体中重要的成员，D3R是当前帕金森病、药物成瘾和精神分裂等疾病的热门靶点之一。临床用于帕金森病治疗的药物多为D2R和D3R的激动剂，如临床获批用于帕金森病和不安腿综合征（Willis-Ekbom病）治疗的普拉克索（pramipexole）等2,3。普拉克索和小分子激动剂PD128907均能激活D2R和D3R，尤其对D3R亚型表现出优于D2R和D4R的选择性。多年以来，以抗帕金森疾病药物为代表的大部分多巴胺受体激动剂都是以分布更为广泛的D1R和D2R为药物靶点。但是，越来越多的研究表明：D3R更集中地分布在大脑中某些对精神疾病极为关键的部位，例如腹侧纹状体，包括伏隔核，丘脑，海马体和皮质。实际上，内源性配体多巴胺和大部分用于临床治疗的多巴胺受体激动剂药物，都表现出对D3R亚型更高的亲和力。这些都表明D3R受体在精神疾病的发生发展和药物开发中的重要地位和价值。通过对D3R受体进行结构药理学研究揭示配体选择性的分子机制对理解D3R激活和设计高效低毒的多巴胺受体靶向药物具有重要的理论意义和应用价值。目前尽管已有若干多巴胺受体亚型的高分辨率结构获得解析，包括D2R，D3R和D4R与拮抗剂结合复合物的晶体结构和D2R与激动剂复合物的冷冻电镜结构等。然而，D3R与激动剂结合复合物的结构仍未获得解析，极大地限制了人们对D3R配体识别和受体激活机制的理解，成为了制约基于结构的靶向D3R受体药物研发的瓶颈。 　　2021年2月5日，中国科学院上海药物研究所徐华强研究员和程曦副研究员、浙江大学医学院与浙江省良渚实验室张岩研究员、以及北卡罗来纳大学教堂山分校Bryan L. Roth教授等共同在Molecular Cell杂志上在线发表了他们最新的研究成果“Structures of the human dopamine D3 receptor-Gi complexes”，首次解析了D3R分别与帕金森病治疗药物普拉克索和小分子激动剂PD128907，以及抑制型Gi蛋白复合物的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了配体选择性识别和激活D3R的分子机制。 研究团队采用单颗粒冷冻电镜分别对帕金森病治疗药物普拉克索和小分子激动剂PD128907激活D3R后形成的复合物分别进行了结构重塑，最终解析了D3R在两种配体激活情况下与Gi蛋白的复合物结构。其中，普拉克索与D3R-Gi复合物结构的分辨率为3.0埃；PD128907与D3R-Gi复合物结构的分辨率达到了2.7埃，代表了当前A型GPCR冷冻电镜结构研究的最高解析度（图1）。 通过比对D3R受体分别与普拉克索和PD128907两种激动剂结合的结构细节，研究团队发现了两种小分子激动剂与受体结合具有明显的特征区别；通过与D2R和D4R激活结构的比对分析发现，结合口袋中TM6上的6.55位组氨酸的空间位置是决定配体对多巴胺受体亚型D2R、D3R和D4R选择性的决定性因素；研究同时对多巴胺受体各亚型偶联下游Gs和Gi选择性的机制进行了探讨，发现受体TM6上的三个特定位置的差异残基（6.31, 6.36和6.38位）是导致不同多巴胺受体亚型选择性偶联Gs或Gi的决定因素，这与徐华强研究员团队在2018年报道的Rhodopsin-Gi结构所揭示的Gs/Gi选择性机制相符合4；研究进一步发现，D3R与其他Gi偶联GPCR类似，均通过高度相似的静电相互作用类型偶联下游Gi蛋白；此外，研究揭示了多巴胺受体偶联Gi和Go这两类高度保守的G蛋白类型选择偏向性的分子基础。D3R具有Go蛋白的选择偏向性，而D2R对Gi蛋白具有更高的选择性。通过对D2R和D3R的结构观察发现，D3R的TM6相对D2R更具刚性，摆动幅度更小，导致产生了更小尺寸的跨膜螺旋胞内口袋，而Go蛋白相对Gi具有相对更小的氨基酸侧链，因此D3R较D2R表现出更为显著的Go蛋白偶联偏向性（图2）。 综上所述，团队利用单颗粒冷冻电镜技术首次解析了选择性D3R激动剂、D3R受体与效应G蛋白的复合物结构，从而在原子分辨率上详细阐释了D3R受体选择性识别配体，被激活后与G蛋白偶联的分子机制。该成果阐述了多巴胺受体D3R配体识别选择性和激活机制等重要的生物学问题，也为开发以多巴胺受体为靶标的选择性药物提供了重要的结构模型。 　　冷冻电镜数据在浙江大学冷冻电镜中心收集。研究工作同时得到了中国科学院上海药物研究所蒋华良院士和余学奎研究员，以及美国温安洛研究所的Karsten Melcher教授的帮助。上海药物研究所与浙江大学基础医学院联合培养博士生徐沛雨、上海药物研究所与上海科技大学联合培养博士生黄思婕、浙江大学基础医学院博士后毛春友和北卡罗来纳大学教堂山分校的Brian E. Krumm为本文共同第一作者。浙江大学为第一完成单位。该工作获得了上海市市级科技重大专项、科技部重点研发计划、中国科学院先导项目、国家自然基金委、浙江省自然基金委等的资助。
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