烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR)属于配体门控型离子通道受体，由5个亚单位构成，在人的大脑等中枢神经系统中大量存在。最新研究发现，作为乙酰胆碱受体的亚型之一，α4β2与一系列中枢神经系统疾病例如毒品酒精成瘾、疼痛、抑郁症、注意力缺陷、多动症、认知障碍等密切相关。因此，α4β2 nAChR已成为重要的镇痛以及戒烟戒酒的作用靶点，而了解并阐明乙酰胆碱受体的作用机制对于相关疾病的发生机理以及针对靶点的药物设计具有重要意义。
海洋试点国家实验室海洋药物与生物制品功能实验室江涛教授团队与澳大利亚昆士兰大学（University of Queensland）的戴维·克雷克课题组、澳大利亚卧龙岗大学的戴维·亚当斯课题组合作，通过分子动力学模拟、定点突变以及结合电生理学实验的方式，从分子水平上阐明了乙酰胆碱受体α4β2的作用机制，并为进一步基于乙酰胆碱受体的化合物设计奠定了理论依据。
直到2016年，第一个完整的人源乙酰胆碱受体α4β2结合尼古丁的复合物晶体模型才被成功解析。但是结合拮抗剂以及从分子层面揭示其构象转变机制的工作却鲜有研究。课题组以已知晶体为结构基础成功构建了α4β2结合DHβE的复合物模型。
通过分子动力学模拟发现，一个水分进入结合口袋，稳定了拮抗剂DHβE与受体的结合。该研究强调了水分子在α4β2受体与配体结合过程中所发挥的关键作用，指出次水分子在药物设计过程中需要被慎重考虑。通过构型分析发现，结合了DHβE后导致α4亚基的C-loop区域发生更大程度的扩张，同时导致胞外区（ECD）的β-sheet位点向外倾斜，这一构象变化通过β1-β2铰链区以及M2-M3铰链区传递到了跨膜区（TMD）。β1-β2铰链区的向外移动导致了M2-M3铰链区和M2螺旋区的向内移动。跨膜区域M2的移动和旋转使得其螺旋结构上的 L257和L264的氨基酸残基位置发生重排，而L257和L264位置恰好是我们通过模拟预测的离子通道的“门”所在的位置，这一氨基酸残基位置的重排导致了“门”的关闭，使得水分子以及离子不能正常通过孔道。随后通过定点突变以及结合电生理学实验的方式确定了L264（16’）位置的氨基酸残基在模型中起到疏水“门”的作用，在控制整个离子通道的静息、开放和快速脱敏状态而不是缓慢脱敏的状态中起到重要作用。而相比之下，L257（9’）无论在快速脱敏过程，还是在缓慢脱敏过程中都发挥重要的作用。
本研究所获得的关闭状态的α4β2受体模型为靶向乙酰胆碱受体的选择性抑制剂开发奠定了结构基础，所提出的构象转变机制对乙酰胆碱受体关闭/静息状态下的药物开发具有重要的指导意义。
于日磊博士为该研究成果的第一作者兼共同通讯作者，韩善·泰博士，许青良同学、戴维·克雷克教授、戴维·亚当斯教授和江涛教授为合作作者，昆廷·卡斯博士为共同通讯作者。该研究由国家自然科学基金、海洋试点国家实验室主任基金、海洋试点国家实验室鳌山科技项目及澳大利亚高校基础科研基金等项目资助。该研究成果于2019年5月6日在线发表于英国药理学期刊上（药学一区，TOP期刊，IF = 6.81）。
（结合拮抗剂二氢-β-红霉素的人源α4β2烟碱乙酰胆碱受体的分子动力学模拟研究）Molecular dynamics simulations of dihydro-β-erythroidine bound to the human α4β2 nicotinic acetylcholine receptor DOI: 10.1111/bph.14698
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文章链接：https://bpspubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/bph.14698
