責編 | 兮
多巴胺（dopamine, DA）是人體中樞神經系統和周圍神經系統的主要神經遞質之一，透過結合多巴胺受體發揮眾多重要的生理功能，包括學習、記憶、認知、獎勵、情感、調節情緒和控制運動等【1】。多巴胺受體屬於G蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptor, GPCR）超家族，包含D1R到D5R共五個受體成員，其中D1R和D5R兩個亞型偶聯啟用型G蛋白（Gs），而D2R、D3R和D4R透過啟用抑制型G蛋白（Gi）發揮其生物學功能。
多巴胺訊號轉導的失衡和改變是導致多種精神類疾病的原因之一，這些疾病包括帕金森症（Parkinson's disease）、精神分裂症、阿爾茲海默症和亨廷頓病等。作為多巴胺受體中重要的成員，D3R是當前帕金森病、藥物成癮和精神分裂等疾病的熱門靶點之一。臨床用於帕金森病治療的藥物多為D2R和D3R的激動劑，如臨床獲批用於帕金森病和不安腿綜合徵（Willis-Ekbom病）治療的普拉克索（pramipexole）等【2,3】。普拉克索和小分子激動劑PD128907均能啟用D2R和D3R，尤其對D3R亞型表現出優於D2R和D4R的選擇性。多年以來，以抗帕金森疾病藥物為代表的大部分多巴胺受體激動劑都是以分佈更為廣泛的D1R和D2R為藥物靶點。但是，越來越多的研究表明：D3R更集中地分佈在大腦中某些對精神疾病極為關鍵的部位，例如腹側紋狀體，包括伏隔核、丘腦、海馬體和皮質。實際上，內源性配體多巴胺和大部分用於臨床治療的多巴胺受體激動劑藥物，都表現出對D3R亞型更高的親和力。這些都表明D3R受體在精神疾病的發生發展和藥物開發中的重要地位和價值。透過對D3R受體進行結構藥理學研究揭示配體選擇性的分子機制對理解D3R啟用和設計高效低毒的多巴胺受體靶向藥物具有重要的理論意義和應用價值。目前儘管已有若干多巴胺受體亞型的高解析度結構獲得解析，包括D2R，D3R和D4R與拮抗劑結合複合物的晶體結構和D2R與激動劑複合物的冷凍電鏡結構等，然而D3R與激動劑結合複合物的結構仍未獲得解析，極大地限制了人們對D3R配體識別和受體啟用機制的理解，成為制約基於結構的靶向D3R受體藥物研發的瓶頸。
2021年2月5日，中國科學院上海藥物研究所徐華強研究員和程曦副研究員、浙江大學醫學院與浙江省良渚實驗室張巖研究員、以及北卡羅來納大學教堂山分校Bryan L. Roth教授等共同在Molecular Cell雜誌上線上發表了他們最新的研究成果“Structures of the human dopamine D3 receptor-Gi complexes”，首次解析了D3R分別與帕金森病治療藥物普拉克索和小分子激動劑PD128907，以及抑制型Gi蛋白複合物的高解析度冷凍電鏡結構，揭示了配體選擇性識別和啟用D3R的分子機制。
研究團隊採用單顆粒冷凍電鏡分別對帕金森病治療藥物普拉克索和小分子激動劑PD128907啟用D3R後形成的複合物分別進行了結構重塑，最終解析了D3R在兩種配體啟用情況下與Gi蛋白的複合物結構。其中，普拉克索與D3R-Gi複合物結構的解析度為3.0 Å；PD128907與D3R-Gi複合物結構的解析度達到了2.7 Å，代表了當前A型GPCR冷凍電鏡結構研究的最高解析度（圖1）。
圖1. D3R-Gi複合物的冷凍電鏡結構
透過比對D3R受體分別與普拉克索和PD128907兩種激動劑結合的結構細節，研究團隊發現了兩種小分子激動劑與受體結合具有明顯的特徵區別；透過與D2R和D4R啟用結構的比對分析發現，結合口袋中TM6上的6.55位組氨酸的空間位置是決定配體對多巴胺受體亞型D2R、D3R和D4R選擇性的決定性因素；研究同時對多巴胺受體各亞型偶聯下游Gs和Gi選擇性的機制進行了探討，發現受體TM6上的三個特定位置的差異殘基（6.31, 6.36和6.38位）是導致不同多巴胺受體亞型選擇性偶聯Gs或Gi的決定因素，這與徐華強研究員團隊在2018年報道的Rhodopsin-Gi結構所揭示的Gs/Gi選擇性機制相符合【4】；研究進一步發現，D3R與其他Gi偶聯GPCR類似，均透過高度相似的靜電相互作用型別偶聯下游Gi蛋白；此外，研究揭示了多巴胺受體偶聯Gi和Go這兩類高度保守的G蛋白型別選擇偏向性的分子基礎。D3R具有Go蛋白的選擇偏向性，而D2R對Gi蛋白具有更高的選擇性。透過對D2R和D3R的結構觀察發現，D3R的TM6相對D2R更具剛性，擺動幅度更小，導致產生了更小尺寸的跨膜螺旋胞內口袋，而Go蛋白相對Gi具有相對更小的氨基酸側鏈，因此D3R較 D2R表現出更為顯著的Go蛋白偶聯偏向性。
圖2 配體對D2R、D3R和D4R亞型選擇性的分子機制
綜上所述，團隊利用單顆粒冷凍電鏡技術首次解析了選擇性D3R激動劑、D3R受體與效應G蛋白的複合物結構，從而在原子解析度上詳細闡釋了D3R受體選擇性識別配體，被啟用後與G蛋白偶聯的分子機制。該成果闡述了多巴胺受體D3R配體識別選擇性和啟用機制等重要的生物學問題，也為開發以多巴胺受體為靶標的選擇性藥物提供了重要的結構模型。
冷凍電鏡資料在浙江大學冷凍電鏡中心收集。研究工作同時得到了中國科學院上海藥物研究所蔣華良院士和餘學奎研究員，以及美國溫安洛研究所的Karsten Melcher教授的幫助。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、浙江大學基礎醫學院博士後毛春友和北卡羅來納大學教堂山分校的Brian E. Krumm為本文共同第一作者。
原文連結https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.01.003
製版人：琪醬
參考文獻
1. Kiss, B. et al. Neuronal Dopamine D3 Receptors: Translational Implications for Preclinical Research and CNS Disorders. Biomolecules 11, doi:10.3390/biom11010104 (2021).
2. Hubble, J. P. et al.Pramipexole in patients with early Parkinson's disease. Clin Neuropharmacol 18, 338-347, doi:10.1097/00002826-199508000-00006 (1995).
3. Morgan, J. C. & Sethi, K. D. Efficacy and safety of pramipexole in restless legs syndrome. Curr Neurol Neurosci Rep 7, 273-274 (2007).
4. Kang, Y. et al. Cryo-EM structure of human rhodopsin bound to an inhibitory G protein. Nature, doi:10.1038/s41586-018-0215-y (2018).