血清素或5-羥色胺(5-HT)是一種重要的神經遞質，可激活最大的G蛋白偶聯受體亞型家族。靶向5-HT1A、5-HT1D、5-HT1E和其他5-HT受體的藥物用于治療多種疾病。5-HT受體具有高水平的基礎活性，并受脂質的調節，但這些受體的脂質調節和基礎激活的結構基礎以及5-HT的泛興奮性尚不清楚。
基于此，來自中國科學院上海藥物研究所徐華強教授和蔣軼教授，聯合浙江大學張巖教授帶領團隊，報告了5-HT受體-G蛋白復合物的五種結構：5-HT1A處于載脂蛋白狀態，與5-HT結合或與抗精神病藥物阿立哌唑結合，5-HT1D與5-HT結合，5-HT1E與5-HT1E-和5-HT1F-選擇性激動劑BRL-54443的復合物。相關研究成果以“Structural insights into the lipid and ligand regulation of serotonin receptors” 為題，在線發表在《Nature》雜志上。
研究人員發現，除了結合的PtdIns4P外，5-HT1A在膜界面被一組廣泛的脂質分子包圍，包括10個膽固醇分子和3個來自磷脂的酰基尾。這些脂質分子在冷凍電鏡密度圖中有很好的定義。值得注意的是，PtdIns4P的兩個酰基鏈中的一個夾在兩個膽固醇分子之間，這表明膽固醇在穩定PtdIns4P的結合中起作用。這些觀察結果表明膽固醇直接參與PtdIns4P的結合，因此為長期觀察到5-HT1A信號由膽固醇和磷脂酶調節提供了結構基礎。
為了研究水分子在結合囊中的作用，研究人員進行了額外的分子動力學模擬，包括活性apo-5-HT1A受體和非活性apo-5-HT1A受體。為每個系統生成兩個100 ns的模擬。在活性載脂蛋白受體模擬中，功能重要的殘基Asp1163×32、Ser1995×43和Thr1213×37可通過五個水分子的氫鍵網絡穩定。在活性載脂蛋白受體系統中，68.8%的模擬軌跡維持了這種氫鍵網絡。然而，在非活性載脂蛋白受體系統中，TM6螺旋位于細胞外側遠離TM5的位置，這導致容納更多水分子的更大口袋。因此，在非活性apo受體系統的模擬軌跡中，只有14.1%的軌跡觀察到活性apo受體系統中連接Asp1163×32、Thr1213×37和Ser1995×43的氫鍵網絡。
為了確定5-羥色胺泛痛覺的基礎，研究人員對5-HT1A、5-HT1D和5-HT1E結構進行了兩兩比較。5-HT與5-HT1A和5-HT1D具有非常相似的親和力，pKi值分別為8.4和8.5 28。通過與5-HT1A和5-HT1D結構中5-HT的結合模式進行比較，發現5-HT在5-HT1A和5-HT1D中采用了幾乎重疊的構象，突變研究進一步支持了這一結果。組成5-HT結合囊的殘基在5-HT受體之間具有中到高的序列保守性。在所有12個5-HT gpcR中，22個配體口袋殘基中只有8個，而其他14個殘基因受體而異。總之，這表明5-HT的所有部分都可以與12個5-HT-GPCR亞型形成不同的相互作用，從而證明GPCR可以與具有相似親和力和功能反應的同一內源性配體相互作用，從而為5-HT的泛興奮性提供了基礎。
綜上所述，該研究團隊報告了5-HT受體-G蛋白復合物的五種結構：5-HT1A處于載脂蛋白狀態，與5-HT結合或與抗精神病藥物阿立哌唑結合，5-HT1D與5-HT結合，5-HT1E與5-HT1E-和5-HT1F-選擇性激動劑BRL-54443的復合物。并發現磷脂酰肌醇4-磷酸存在于G-蛋白-5-HT1A界面，并且能夠增加5-HT1A介導的G-蛋白活性。而且受體跨膜結構域被膽固醇分子包圍，特別是在5-HT1A的情況下，其中膽固醇分子直接參與形成決定阿立哌唑特異性的配體結合囊。在載脂蛋白-5-HT1A的配體結合囊中有模擬5-HT激活受體的結構水分子。這些研究結果解決了一個長期存在的問題，即脂質和水分子如何調節G蛋白偶聯受體，揭示了5-HT如何作為一種泛激動劑，并確定了5-HT受體中藥物識別的決定因素。
參考文獻:
1、Xu, Peiyu et al. “Structural insights into the lipid and ligand regulation of serotonin receptors.” Nature, 10.1038/s41586-021-03376-8. 24 Mar. 2021, doi:10.1038/s41586-021-03376-8
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