今天你抑郁了嗎?

現(xiàn)代社會，抑郁癥已經成為一大“殺手”。但抑郁癥的成因是什么?大腦是如何發(fā)生病變的?抗抑郁藥物是如何產生作用的?許多問題都沒有答案。

借助于結構生物學研究“神器”——冷凍電鏡，科學家正逐步從分子層面揭開圍繞著抑郁癥的層層迷霧。

北京時間3月25日，《自然》雜志發(fā)表了中國科學家一項最新研究成果，在國際上首次報道了抑郁癥重要靶點——5-羥色胺受體的5個近原子分辨率結構，揭示了磷脂和膽固醇如何調節(jié)這一受體功能，以及抗抑郁藥物阿立哌唑的分子調節(jié)機制，為后續(xù)藥物開發(fā)提供重要基礎。

解密“快樂神經遞質”受體

5-羥色胺是一種能使人感受快樂的神經遞質，被稱為“快樂神經遞質”，一旦失調可引起抑郁癥、精神分裂癥、躁郁癥等精神類疾病。而5-羥色胺要在大腦中發(fā)揮功能，離不開它的13種受體，否則再多也是徒勞。

因此，5-羥色胺受體成為重要的抗抑郁藥物靶點，受到廣泛研究。不過，論文通訊作者徐華強表示，由于對5-羥色胺受體精細結構了解甚少，新型靶向藥物的研發(fā)十分困難。

為此，中科院上海藥物研究所研究員徐華強、蔣軼團隊聯(lián)合浙江大學教授張巖團隊等研究組，采用單顆粒冷凍電鏡技術，首次解析了三種5-羥色胺(5-HT)受體結合不同配體的冷凍電鏡結構：包括抑郁癥、精神分裂癥治療靶點5-HT1A受體的結構，偏頭痛治療靶點5-HT1D受體的結構和多種精神類疾病潛在的選擇性治療靶點5-HT1E受體的結構。

論文第一作者徐沛雨告訴《中國科學報》，這三種受體都屬于5-HT1亞家族，是精神類疾病治療藥物的重要靶點。通過不同結合狀態(tài)結構的比較，可以研究受體的組成性激活以及藥物結合機制，有助于藥物設計。

《自然》雜志審稿人認為，5-羥色胺的泛激動作用和配體選擇性是有趣的科學問題，與廣大的讀者息息相關，這項研究對相關的藥物研究很有益處，將引起廣泛且深遠的影響。

據(jù)悉，對5-羥色胺受體的結構研究在國際上競爭激烈，徐華強課題組曾在2013年發(fā)表第一個5-HT1B受體的結構，此后多個團隊相繼報道了多個5-HT2亞家族受體結構。

徐華強表示，此項工作完善了5-HT1亞家族受體結構，但對于龐大的5-羥色胺受體家族，還有很多問題需要繼續(xù)探索。

指出藥物開發(fā)新方向

阿立哌唑是臨床用于治療精神類疾病的一線用藥，也是最成功的精神分裂癥和抑郁癥治療藥物之一，在2002年就被美國食品藥品監(jiān)督管理局批準上市，年銷售額曾達到近70億美元。

值得注意的是，阿立哌唑正是通過直接結合5-羥色胺來發(fā)揮作用，但其作用于受體的結構一直未知。

“從我們的結構第一次看到了阿立哌唑是如何與受體相互作用的。”徐沛雨表示，由于5-羥色胺在人體其他部位也有分布，因此可能由于脫靶效應產生副作用，通過掌握其結構，可以設計潛在的更有效、副作用更低的新型藥物。

此外，科研人員還發(fā)現(xiàn)，磷脂分子PI4P能結合于5-HT1A受體和G蛋白的相互作用界面;膽固醇分子也直接參與了受體的激活，并能調節(jié)阿立哌唑與受體的結合。這是國際上首次報道5-HT1A受體受到磷脂和膽固醇的分子調節(jié)機制，也使其成為一個具有前景的藥物開發(fā)方向。

中科院院士、中科院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心學術主任蒲慕明向《中國科學報》指出，這一研究有幾大貢獻：對幾個與精神類疾病有直接關系的調質受體做了較全面的解析，包括藥物結合后的構象;解析了細胞膜上在受體周圍的脂類分子與受體的結合構象和對受體與藥物結合所需結構的調控;提出了受體在沒有配體的情況下可以有活性、進行細胞內信號轉導的結構機制。

蒲慕明特別指出，該研究最重要的貢獻在于指出一個與G蛋白受體的胞內信號轉導有關的肌醇磷脂分子可以直接與5-羥色胺受體結合并激活它，為胞內信號對受體的正反饋調控提供了可能機制。

“本工作并未對此反饋通路進行探討，因為這是細胞生物學的問題，這也說明結構生物學能從結構解析指出細胞生物學可以探索的新方向。”蒲慕明說。

冷凍電鏡再立新功

2017年，3位科學家因對冷凍電鏡技術作出突出貢獻而獲得諾貝爾化學獎。由于冷凍電鏡對生物領域產生了革命性的影響，此次化學獎被戲稱為：發(fā)給物理學家的諾貝爾化學獎，最終幫助了生物學家。

冷凍電鏡是將樣品低溫冷凍和電子顯微鏡結合，通過快速冷凍的方法，避免了容易破壞樣品質量和結構的結晶過程，再放入電鏡內觀察，可以解析出蛋白質等生物大分子的空間結構。

此次中國科學家正是借助于冷凍電鏡看清了5-羥色胺受體的精細結構，整體分辨率達到3埃左右，即3×10-10米。尤其在受體和藥物分子結合的“口袋”位置附近，分辨率更是達到2.5到2.7埃。

徐沛雨表示，這一分辨率在同類研究中處于領先地位，“從蛋白質樣品的冷凍到穩(wěn)定性、均一性，實驗中每個步驟都會影響分辨率，只有保證每一步都是最優(yōu)，才能獲得高分辨率。”

例如，在冷凍制樣的過程中，放置蛋白質顆粒的載網冰層厚度對分辨率有較大影響，厚度大分辨率低，厚度小則容易被電子擊穿，必須針對不同樣本反復調試。

在此過程中，張巖在GPCR(G蛋白偶聯(lián)受體)電鏡研究上的豐富研究經驗，為復合物的結構解析提供了關鍵突破。

在人源5-羥色胺受體家族的17個亞型中，有12個都是GPCR。徐沛雨表示，在人類的GPCR中，還有大量潛在的藥物靶點，因此這一領域是當前極為熱門的研發(fā)方向，也是各大藥企競爭的熱點。

據(jù)悉，該課題從2018年上半年開始，在2018年9月就解析出第一個結構，為了得到更高分辨率的結構，課題組一直在優(yōu)化實驗，直到2020年下半年才獲得滿意數(shù)據(jù)。(作者：陳歡歡)