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《Nature | μ型阿片受体细胞分别调控芬太尼成瘾正强化和负强化机制》

  • 来源专题：战略生物资源
  • 编译者： 李康音
  • 发布时间：2024-05-24

  • 2024年5月22日，日内瓦大学Christian Lüscher通讯在Nature发表题为Distinct μ-opioid ensembles trigger positive and negative fentanyl reinforcement的文章，揭示了与芬太尼成瘾相关的正负强化机制的不同神经回路。

    芬太尼是一种强效的合成阿片类药物，一直处于持续的阿片类药物危机的前沿，导致了过量死亡和超高的成瘾率。该研究发现的核心是识别了腹侧被盖区（VTA）和中央杏仁核（CeA）中表达μ-阿片受体（μOR）的两个不同神经元群体。研究人员证明，VTA中表达μOR的GABA神经元是芬太尼的初始靶点，导致多巴胺神经元的去抑制和随后伏隔核（NAc）中的多巴胺释放。这一机制支撑了芬太尼使用带来的积极强化和欣快效果。

    这项研究还揭示了CeA中一个单独的表达μOR的神经元群体作为负强化的细胞触发因素。在戒断期间，这些神经元表现出更强的活性，这与跳跃和不动（immobility）等身体戒断症状的结束有时间相关。这些CeA神经元的光遗传学刺激诱导了厌恶行为，小鼠很容易学会按下杠杆来暂停刺激，这证明了这种神经元群体活动的厌恶性质。

    总之，这项研究为芬太尼成瘾的双重强化机制提供了一个全面的神经通路层面的理解。通过分析触发正强化和负强化的不同神经元集合，研究人员为开发有针对性的干预措施以减少芬太尼成瘾并促进康复奠定了基础。作者将CeA确定为诱导负强化的关键位点，挑战了戒断症状源于VTA适应的主流观点。

  • 原文来源：https://mp.weixin.qq.com/s/dQkxh1uQ9CfqJxU7pON-iA
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  • 《Nature | μ型阿片受体的动态构象机制》
    • 来源专题：战略生物资源
    • 编译者：李康音
    • 发布时间：2024-04-14
    • 2024年4月10日，清华大学陈春来、斯坦福大学Brian K. Kobilka、加州大学洛杉矶分校Matthias Elgeti共同通讯在Nature发表题为Ligand efficacy modulates conformational dynamics of the μ-opioid receptor的文章，深入研究了μ-阿片受体这种重要的G蛋白偶联受体（GPCR）的复杂结构和动力学特性，其在疼痛管理和各种生理过程的调节中发挥着关键作用。 阿片受体是一类存在于人体神经系统中的蛋白质受体，对阿片类药物（如吗啡、哌替啶等）及内源性阿片肽（如内啡肽、外啡肽等）起作用。这些受体主要分布于中枢神经系统（如大脑和脊髓）以及周围神经系统中的神经元上。阿片受体有μ、κ、δ等多种类型。这项研究的重点是了解从拮抗剂到超效激动剂等不同配体的结合如何调节μ-阿片受体（μOR）的构象整合。通过结合包括DEER和smFRET等的尖端技术，研究人员发现了受体构象动力学及其对信号转导的影响的显著细节。其中一个关键发现是识别了TM6的特定构象状态，已知TM6在GPCR激活中起着关键作用。DEER揭示了六种不同构象状态的复杂集合，研究人员将其分为非活性（R1和R2）和活性（R3和R4）状态。重要的是，发现这些状态的相对群体受到结合配体性质的强烈影响，拮抗剂有利于非活性构象，而高效激动剂稳定活性状态。 此外，研究人员证明，受体下游转导子G蛋白和β-arrestin的结合可以进一步调节构象平衡。值得注意的是，G蛋白结合优先稳定R3活性状态，而β-arrestin结合与R3和R4活性状态表现出更混杂的相互作用。这些发现表明，受体的构象动力学在决定不同信号通路的信号偏向方面起着至关重要的作用。smFRET实验提供了对受体构象动力学更深入的了解。通过使用两种不同的荧光团对，研究人员能够捕捉受体内的快速（<100ms）和慢速（>100ms）构象转变。作者发现快速转变是配体依赖性的，FRET峰的位置与结合配体的功效相关。另一方面，缓慢的转变归因于受体的细胞内环2（ICL2）的结构变化，而ICL2对G蛋白的结合和激活至关重要。 研究人员通过检查GDP对μOR-G蛋白复合物的影响，进一步探索了受体的构象动力学和G蛋白偶联之间的相互作用。他们的研究结果表明，高效和超高效激动剂不仅促进了无核苷酸的μOR-G蛋白复合物的形成，而且降低了GDP的亲和力，从而促进了G蛋白的活化。相反，低效力的G蛋白偏向激动剂表现出更稳定的GDP结合的μOR-G蛋白复合物，为其降低的信号功效提供了解释。 总的来说，这项研究代表了整合结构生物学的一项成就，揭示了配体结合调节μ-阿片受体构象动力学的复杂而微妙的方式。通过揭示支配受体激活和信号转导的潜在结构变化，这项工作有可能为开发针对阿片受体系统的更具选择性和更安全的治疗剂提供信息。
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  • 《Cell | 上海药物所合作阐述阿片受体家族与内啡肽系统的分子作用机制》
    • 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：2023-01-13
    • 　图为一个盛开着罂粟花的大脑，罂粟是阿片类镇痛药的重要来源。罂粟花上有一只青蛙，表示本研究中使用了来自青蛙皮肤表面的皮啡肽。图像右侧是四个被激活的阿片受体的结构被嵌在细胞膜内。来自罂粟中的阿片物质模拟了人体内的阿片肽功能，均通过结合阿片受体来调控人体内镇痛、感知、奖赏等生理活动。本研究报道了整个阿片受体家族结合内源性多肽，以及DOR和青蛙皮肤表面的外源皮啡肽的三维结构。 　　内源阿片系统由四个阿片受体成员以及一系列阿片肽组成，广泛分布在中枢神经系统、外周神经系统和免疫系统中，调控镇痛、欣快、奖赏、认知、应激等信号通路，是临床用于治疗疼痛、焦虑等疾病的重要靶标。 　　阿片受体家族共有四个成员，分别为μOR、δOR、κOR、NOPR，均属于G蛋白偶联受体，主要通过偶联下游Gi蛋白发挥功能。阿片受体不仅会被体内产生的阿片肽激活，也会被外源的阿片类/非阿片类药物激活，包括广为人知的吗啡、芬太尼等药物。在2022年11月10号的Cell期刊上，徐华强研究员/庄友文副研究员团队联合谢欣研究员团队、王明伟教授团队，首次报道了吗啡和芬太尼结合人源μOR-Gi蛋白信号复合体的结构，揭示了两者在结合μ型阿片受体上的关键差异因素（点击阅读）。 　　靶向μOR的小分子阿片药物广泛用于临床中至重度的急性疼痛，然而它们在强效镇痛的同时也伴随着耐药、呼吸抑制、成瘾等诸多严重的副作用。为了开发更低毒副作用的镇痛类药物，科研人员将目光聚焦到了其它亚型阿片受体的激动剂上，成功促进了一些镇痛药物的研发，包括靶向κOR的地佐辛、盐酸喷他佐辛酯、纳布啡癸二酸，氢溴酸依他佐辛等上市药物，靶向δOR的SRI-22138、BMS986187等临床在研药物，靶向NOPR的PPL-138、LY-2940094等临床在研药物（源于药渡数据）。尽管有了很大的进展，由于小分子药物较差的选择性和药理活性，还是引发了其他副作用：致幻、惊厥、癫痫等，导致它们的临床进展受到了阻碍、甚至被终止。 　　人体中的阿片肽不仅是强效镇痛药吗啡等外源阿片药物的天然模板，而且在机体自身分泌的浓度下不导致成瘾、呼吸抑制等副作用，内源性的阿片肽对四种阿片受体具有很高的亲和力以及激动活性，最重要的是具有高度选择性，这些特性赋予了它们重要的研发价值。近几年随着那句“少年只知多巴胺，中年才懂内啡肽”网络名言的广为流传，刺激内啡肽生成的励志活动被逐渐推广。内啡肽是阿片肽众多成员中的一种多肽神经递质，它会在身体感到疼痛或者有压力时被释放，有助于减轻疼痛、缓解压力，内啡肽也会在按摩、跑步、游泳等锻炼运动中被释放，通过机体的奖赏信号通路来提升人的幸福感。阿片肽由一系列前体蛋白经过酶解和修饰得到，包括内啡肽、强啡肽、脑啡肽和痛敏肽等。除了内源性的阿片肽以外，阿片受体也会被外源的多肽激活，包括食物中的酪啡肽、青蛙皮肤表面的皮啡肽等。 　　随着X-射线晶体技术和冷冻电镜技术的发展，在近20年间，已经有超过800个GPCR相关的结构被报道（源于GPCRdb），阿片受体作为举足轻重的一类药物靶标，该家族的失活和激活结构也被相继发表，在之前的研究中，很多备受关注的科学问题得以解释，包括阿片受体与小分子拮抗剂/激动剂的结合模式，钠离子口袋介导的激活机制，μOR的偏向性机制等。然而，内源性阿片肽配体如何选择性识别并激活不同亚型阿片受体的分子机制尚不清楚，阻碍了科研人员对阿片肽的认知与合理的设计改造。 　　2023年1月12日，中国科学院上海药物研究所徐华强/庄友文团队联合美国北卡罗莱纳大学教堂山分校Bryan L. Roth团队合作在国际顶级期刊Cell上以长文形式在线发表了题为“Structures of the entire human opioid receptor family”的研究论文。该项研究系统地分析和明确了各内源性阿片肽对阿片受体的信号活性，并进一步解析了阿片受体家族四个亚型μOR、δOR、κOR、NOPR和各自的选择性阿片肽包括内啡肽、内吗啡肽、强啡肽、皮啡肽和痛敏肽的冷冻电镜复合物结构，结合大量细胞水平的功能实验，揭示了多肽类配体和阿片受体的结合模式，阐述了它们的选择性和保守性机制，为“信使-信箱-效能”模式提供了结构和功能支持。 　在本项研究中，研究人员首先通过细胞水平的功能实验，较为系统地分析了阿片肽对野生型阿片受体的的信号传导特性。由于内啡肽和脑啡肽对μOR、δOR的激活程度相近，为了系统地阐述选择性差异，研究人员最终锁定了内啡肽以及选择性更显著的内吗啡肽、强啡肽、痛敏肽和外源的皮啡肽作为研究对象，分别解析了内啡肽-μOR、内吗啡肽-μOR、强啡肽-κOR、痛敏肽-NOPR，皮啡肽-δOR的高分辨率冷冻电镜三维结构，并用第二信使cAMP的抑制试验、G蛋白和arrestin蛋白的招募实验来分析突变体的特性。 　　研究发现，所有的阿片肽都是以N端插入的方式进入受体，阿片肽的N端基序YGGF（痛敏肽是FGGF）“信使”结合在阿片受体极为保守的正构结合口袋腔室里，第一个酪氨酸/苯丙氨酸主链上的胺基均与D3.32Q2.60Y7.43基序形成极性网络，该保守腔室对配体的识别和药理活性是必不可少的，合成的YGGF四肽便可以通过较弱的作用激活四个受体（EC50约10μM）。结构分析发现，阿片受体的胞外端，主要为ECL2/3以及TM2/6/7的胞外端在序列和带电性上都具有差异性，比如κOR和NOPR的ECL2富含带负电的氨基酸，对应的强啡肽和痛敏肽在ECL2处富含带正电的氨基酸。大规模功能突变实验结果表明，阿片受体ECL2/3和TM2/6/7的胞外端序列不保守性和带电差异性共同决定着阿片受体对阿片肽的选择性结合。 　　NOPR是阿片受体家族中最后一个被发现的受体，没有被冠以希腊字母名称，本研究解析的痛敏肽结合NOPR的结构，也是首个激活形式NOPR的结构，通过结构比对分析，不出意外地发现它遵循阿片受体通用的激活机制。除此之外，阿片受体对于下游Gi蛋白有着极高的选择性，本研究发现阿片受体的ICL3会形成一个短的α螺旋与Gi形成疏水作用，同时保守的精氨酸与Gi形成静电作用。这也可以部分解释Gi结合的GPCR结构都含有完整的ICL3，而与其他亚型G蛋白（Gs，Gq）结合的GPCR结构中往往缺失了ICL3的电子云密度的原因。 　　综上所述，研究团队通过解析阿片肽结合的阿片受体结构，系统地阐释了多肽配体的结合模式，揭示了阿片受体中保守的结合口袋以及独特的ECL2/3共同介导阿片肽的作用机制，阐明了阿片受体通用的激活机制以及对下游Gi蛋白的选择性特征。这些工作为理解阿片系统的生物学特性提供了夯实的结构基础，为设计新型高效的阿片肽类镇痛药物铺平了道路。 　　本研究冷冻电镜数据在上海药物所高峰电镜中心和上海药物所冷冻电镜平台收集。中国科学院上海药物所博士研究生王悦、副研究员庄友文、北卡罗来纳大学教堂山分校Jeffery F. DiBerto为该论文的共同第一作者。上海药物所徐华强研究员、庄友文副研究员，以及北卡罗来纳大学教堂山分校Bryan L. Roth教授为论文的共同通讯作者。参与本次研究的还有上海药物所硕士毕业生刘卫一、高峰电镜中心执行主任袁青宁，美国温安洛研究所Karsten Melcher教授和X. Edward Zhou博士等。该工作获得了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、上海市科技重大专项、中国科学院特别助理研究项目以及美国国立心理健康研究院、国立卫生研究院等的项目经费资助。 　　全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.12.026
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