四川大學(xué)華西醫(yī)院生物治療國家重點實驗室/腎病研究室邵振華研究員團隊于2019年11月在“Nature Chemical Biology”（影響因子12.15）發(fā)表文章"Structure of an allosteric modulator bound to the CB1 cannabinoid receptor"（長按下方二維碼即可閱讀全文）。

大麻素受體CB1屬于GPCR（G蛋白偶聯(lián)受體）Class A類家族，在人類神經(jīng)系統(tǒng)中高度表達(dá)，大麻素類藥物通過激活該類受體進(jìn)而調(diào)節(jié)體內(nèi)的生理反應(yīng)。CB1受體主要分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，是疼痛、癲癇、肥胖癥、抑郁癥、肝纖維化或多發(fā)性硬化癥的治療靶點。CB1的激動劑和拮抗劑配體識別受體的正位位點，分別調(diào)節(jié)信號通路的開和關(guān)。除了正位配體外（激動劑和拮抗劑），其別構(gòu)調(diào)節(jié)劑不僅影響大麻素類激動劑的結(jié)合，而且同樣具有調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的能力。理解別構(gòu)調(diào)節(jié)劑的分子機制將有助于我們更好地理解GPCR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的復(fù)雜機理。

CB1的別構(gòu)調(diào)控分子最早在2005年由Price等人報道。他們發(fā)現(xiàn)化合物ORG27569不僅能增強CB1的正向激動劑CP55940的結(jié)合，更有趣的是，該化合物抑制了下游Gi 蛋白的信號途徑。為了更好地理解ORG27569作為CB1受體負(fù)向別構(gòu)調(diào)節(jié)劑（NAM）的分子機理，我們用X射線晶體學(xué)的方法解析了CB1受體-激動劑CP55940-ORG27569三元復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，為該類受體的新型藥物開發(fā)和篩選提供了新的思路。

圖1　CB1配體的二維結(jié)構(gòu)　（a）THC，（b）CBD，（c）CP55940和（d）ORG27569

從我們獲得的CB1與激動劑和NAM的三元復(fù)合物整體結(jié)構(gòu)來看，CP55940占據(jù)正位結(jié)合位點，而ORG27569結(jié)合至膜內(nèi)的螺旋外位點（圖2a，b），主要與受體的TM4互作，并且沿著面向脂質(zhì)的疏水表面延伸以接觸TM2（圖2b）。CB1在G蛋白結(jié)合位點處于非活性構(gòu)象（圖2c），TM5和TM6向核心區(qū)域位移，從而導(dǎo)致識別和結(jié)合G蛋白的區(qū)域大幅度減少。這就解釋了CB1受體在激動劑作用下，ORG27569抑制Gi信號通路的原因。

圖2　CB1結(jié)合CP55940和ORG27569的整體結(jié)構(gòu)　 （a）從膜平面內(nèi)觀看，CB1（藍(lán)色）。 紅色球形為CP55940激動劑，黃色球形結(jié)構(gòu)為ORG27569。（b）CB1的靜電表面圖。（c）膜的細(xì)胞內(nèi)側(cè)觀察視角

CB1受體中的兩個芳香環(huán)殘基（F2003.36和W3566.48）構(gòu)象變化決定了受體的激活與否，被稱為該受體的雙撥動開關(guān)。在具有ORG27569和CP55940的復(fù)合物中，雙撥動開關(guān)采用的無效'off'構(gòu)型（圖3a），類似于在taranabant（反向激動劑）識別的結(jié)構(gòu)，兩個殘基形成π-π疏水作用，將受體TM3和TM6鎖定在類似失活的構(gòu)象。與激動劑結(jié)構(gòu)（圖3b）和激動劑-Gi復(fù)合物（圖3c）形成對比，其中F2003.36側(cè)鏈從TM5旋轉(zhuǎn)140°并與TM2接觸。這種變化伴隨著另一個扳動開關(guān)殘基W3566.48遠(yuǎn)離激動劑的運動，伴隨著TM6的向外運動，兩個殘基間的作用力被破壞，使其受體處于激活構(gòu)象（圖3b，c）。總之，在我們的研究中，發(fā)現(xiàn)ORG27569和CP55940結(jié)合的CB1三元復(fù)合物處于一種中間構(gòu)象，在該構(gòu)象中，正位口袋在活動狀態(tài)下會收縮以適合激動劑（圖3b）；然而，撥動開關(guān)未觸發(fā)（圖3a），阻礙了TM6的移動。進(jìn)一步在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上揭示了別構(gòu)調(diào)節(jié)劑對CB1受體的調(diào)節(jié)作用。

圖3　CB1受體在不同狀態(tài)下的雙撥動開關(guān)（F2003.36和W3566.48）（a）CP55940 / ORG27569結(jié)合的CB1和taranabant結(jié)合的CB1的疊加（PDB 5U09）。（b）CP55940 / ORG27569結(jié)合的CB1和AM11542結(jié)合的CB1（PDB 5XRA）的疊加。（c）CP55940 / ORG27569結(jié)合的CB1和Fubinaca / Gibound的CB1（PDB 6N4B）的疊加

最重要的是，我們在研究中發(fā)現(xiàn)了一個全新的GPCR別構(gòu)調(diào)節(jié)位點，這與之前發(fā)現(xiàn)的GPCR別構(gòu)調(diào)節(jié)位點不同。ORG27569的氯吲哚基團緊靠W2414.50的吲哚側(cè)鏈，而酰胺鍵聯(lián)的哌啶基苯基鏈則延伸穿過受體外部，緊靠T2424.51和I2454.54（圖4a）。W2414.50殘基是A類GPCR中最保守的殘基之一（圖4c），該位點為GPCR別構(gòu)調(diào)節(jié)位點和藥物設(shè)計提供了依據(jù)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖４　別構(gòu)調(diào)節(jié)劑ORG27569與CB1受體識別細(xì)節(jié)　（a）ORG27569配體（黃色）在4.5?以內(nèi)的接觸殘基（藍(lán)色）。（b）與激動劑結(jié)合的CB1（PDB 5XRA）與膽固醇在同一口袋的等效位點。（c）來自不同A類GPCR的TM4的多序列比對，顯示色氨酸（W）在4.50位保守。（d）在ORG27569結(jié)合位點上，CP55940結(jié)合的CB1（藍(lán)色）、Taranabant結(jié)合的CB1（PDB 5U09，灰色）和Fubinaca結(jié)合的CB1（PDB 6N4B，橙色）的結(jié)構(gòu)重疊

總之，該論文解釋了ORG27569作為CB1受體負(fù)向別構(gòu)調(diào)節(jié)劑的分子機制，為理解CB1受體的作用機理打開了新的“一扇窗”，同時為該類受體的新型藥物開發(fā)和篩選提供了新的思路。

楊勝勇教授：大麻作為藥用價值已有幾千年的歷史，主要通過作用到大麻素受體進(jìn)而調(diào)節(jié)體內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，達(dá)到疾病治療的目的。人體內(nèi)源大麻素受體有CB1和CB2兩種。其中， CB1受體主要位于腦、脊髓與外周神經(jīng)系統(tǒng)中，具有GPCR經(jīng)典的7次跨膜螺旋結(jié)構(gòu)，被稱中樞型大麻素受體。CB1的激活可以降低神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，如多巴胺和GABA，從而調(diào)節(jié)人體的新陳代謝、食欲、疼痛、記憶和學(xué)習(xí)、神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)等諸多方面。因此，CB1受體是疼痛、肥胖、藥物成癮和神經(jīng)退行性等疾病的直接藥物靶標(biāo)。目前針對該受體的上市藥物主要來自于植物大麻的天然提取物。相對于天然產(chǎn)物，目前化學(xué)合成類的CB1靶向藥物副作用較大，高效低毒的藥物發(fā)展較慢，主要原因是CB1受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)非常復(fù)雜，人們尚未完全闡明其調(diào)控機制，因而限制了創(chuàng)新藥物的研發(fā)。

此前的研究表明CB1具有高度保守的正位結(jié)合口袋，為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向的藥物設(shè)計帶來了一些困擾，導(dǎo)致傳統(tǒng)藥物具有較低的選擇性和特異性，副作用較高。有趣的是，CB1 受體也被發(fā)現(xiàn)存在別構(gòu)調(diào)節(jié)位點，且與激動劑配體協(xié)同效應(yīng)，更好地調(diào)控信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，也表現(xiàn)出疾病治療的潛力。相比于保守的正位結(jié)合位點，GPCR的別構(gòu)調(diào)節(jié)位點具有一定的優(yōu)勢：1.亞型的選擇性和特異性；2. 與正位配體協(xié)同作用調(diào)節(jié)GPCR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，因此更適合靶向設(shè)計和發(fā)展藥物。

近期，邵振華研究員與合作者通過解析CB1受體與負(fù)向別構(gòu)調(diào)節(jié)劑的三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了CB1受體中新的負(fù)向別構(gòu)調(diào)節(jié)劑識別位點，這與之前發(fā)現(xiàn)的GPCR別構(gòu)調(diào)節(jié)位點不同。GPCR家族別構(gòu)調(diào)節(jié)位點的多變性和非保守性的特點，為設(shè)計高選擇性的潛在藥物提供了新的策略，尤其在受體多種亞型間。該論文一方面有助于我們更系統(tǒng)地了解CB1受體的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制；更重要的是，別構(gòu)調(diào)節(jié)劑與激動劑的協(xié)同效應(yīng)為CB1受體的藥物開發(fā)也提供了新的思路，應(yīng)用前景廣泛。

大麻素受體是我們一直研究的對象，我們曾在2016年解析了大麻素受體CB1與拮抗劑藥物的晶體結(jié)構(gòu)（Shao Z., et al Nature. 2016），該研究進(jìn)一步拓展了科學(xué)界對CB1受體的認(rèn)識。投稿過程比較順利，在初期，我們是以letter的形式投稿和送審，后來得到了雜志編輯和審稿人的高度評價，編輯要求終稿以研究長文（Articles）的形式發(fā)表，此外，編輯把該論文故事作為雜志封面（cover image）的候選，但沒有入選。帶著這點小遺憾，同時作為勉勵，我們課題組將繼續(xù)探索大麻素等受體的作用機理和藥物開發(fā)。

本文編輯：汪文靜

本文排版：陳紅梅　張洪雪