Nat Comm | 袁曙光等揭示真實細胞膜環境下血清素受體5-HT3離子通道的分子機制

血清素受體是在中樞和周圍神經系統中發現的一組G蛋白偶聯受體 (GPCR) 和配體門控離子通道 (LGIC) 。它們同時介導“興奮性”和“抑制性”神經傳遞。血清素受體被激活神經遞質“血清素”，其充當它們的天然配體。血清素受體可分爲七個亞科 5-HT1, 5-HT2, 5-HT3, 5-HT4, 5-HT5, 5-HT6, 5-HT7。至少有十四種受體亞型已被發現，包含G蛋白偶聯受體和配體門控離子通道(G protein-coupled receptor and a ligand-gated ion channel) 。血清素受體 （或稱5-羥色胺受體） 位於動物神經細胞和其它類型細胞的細胞膜，並介導血清素作爲內源性配體和廣泛範圍的藥物和致幻藥物的作用。除了5-HT3受體，配體門控離子通道 (LGIC) ，所有其他血清素受體是G蛋白偶聯受體 (GPCR) ，其激活細胞內第二信使級聯 （也稱爲七跨膜受體或七螺旋受體） 。5-HT3與抑鬱症、嘔吐、止疼等疾病密切相關，是新藥研發的重要靶點。

2014年，Horst Vogel教授首次解析出5-HT3在沉澱劑環境下的APO晶體結構 （pdb: 4PIR） ，並發表在當年的Nature上。2018年，Chakrapani S課題組 （PDB：6GDB） 與Nury H課題組 （PDB：6HIQ） 分別在沉澱劑環境下解析出5-HT3與激動劑五羥色胺的複合物結構，並相繼發表在Nature上。爲了驗證兩個結構的生理狀態，兩個課題組都引入了分子動力學模擬。Chakrapani S課題組在0.7 M NaCl 和0.2V跨膜電勢的極端環境下模擬獲得了連續水分子通路；Nury H課題組通過添加外力將離子強行“拽”出通道，從而激活離子通道。2020年，Jeffery B. Klauda課題組通過生理環狀態下的長時間尺度分子動力學模擬證明Chakrapani S課題組和Nury H課題組所解析的結構在生理環境模擬情況下不能形成連續水分子通路，兩個結構不具有典型的生理功能。相關工作發表在2020年PNAS上。

2021年2月16日，中科院深圳先進技術研究院計算機輔助藥物設計中心袁曙光課題組與德國馬普生物物理所Mikhail Kudryashev合作在Nature Communications期刊上發表文章Asymmetric opening of the homopentameric 5-HT3A serotonin receptor in lipid bilayers，利用真實細胞膜冷凍電鏡技術，解析了血清素受體5-HT3離子通道的高分率三維精細結構，並通過生物計算系統闡述了其信號轉導的分子原理。

圖1. 5-HT3受體在真實細胞膜環境下的冷凍電鏡三維結構

該工作首次突破性地證明傳統的人造細胞膜環境下所解析的冷凍結構與真實細胞膜環境下的結構差異巨大（主鏈RMSD高達33Å），顛覆傳統人們所認爲的在人造細胞膜或者沉澱劑的環境下所解析的膜蛋白三維結構與其生理狀態下的結構相同的觀點。此外，通過全原子分子動力學模擬的方法，團隊發現激動劑可以正常激活真實細胞膜環境下所解析的結構，而不能激活在人造細胞膜環境下所解析的結構。這一發現進一步佐證了人造細胞膜或沉澱劑環境下所解析的膜蛋白三維結構與真實生理狀態差異巨大，不一定具有生理活性。

圖2. 真實細胞膜環境下的結構與人造細胞膜環境下5-HT3受體結構與功能的差異

本工作首次在真實細胞膜環境下解析出5-HT3受體的三維精細冷凍電鏡結構 （PDB：6Y5A） 。其主鏈的RMSD與人造細胞膜環境下解析的結構差異高達33Å；離子通道半徑差異高達5 Å。通過生理狀態環境下的全原子分子動力學模擬發現，在人造細胞膜環境下解析的結構與激動劑結合後，不能激活5-HT3受體形成連續水分子通路，不能激活5-HT3受體行使生理功能和信號轉導。而本團隊在真實細胞膜環境下所解析的結構在相同條件下可以正常激活5-HT3離子通道並行使正常的信號轉導。

目前，衆多膜蛋白靶標的三維結構均在人造細胞膜和沉澱劑的環境下所解析。本工作突破性地在真實細胞膜環境下解析出重要膜蛋白靶標的三維結構，爲基於結構的藥物研發提供了可靠的理論基礎，大大減少了新藥研發的試錯成本。

張盈怡博士和Patricia M. Dijkman爲共同一作，袁曙光研究員和Mikhail Kudryashev研究員爲共同通訊。中科院深圳先進院的鄒榮峰博士和Horst Vogel教授也參與了該工作。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21016-7

袁曙光課題組介紹

袁曙光教授（http://www.cadd2drug.org ）2009年於中科院上海有機化學研究所 (SIOC) 碩士畢業。他的碩士論文主要從事細胞凋亡生物化學與結構生物學研究。之後，他獲得歐盟瑪麗居里全額獎學金資助，先後在比利時魯汶大學 (KULeuven)，波蘭科學院和洛桑瑞士聯邦理工學院 (EPFL) 共同完成博士學習，主攻方向爲計算生物學與計算機輔助藥物設計。2013年，他獲得最佳博士論文獎。畢業後，他榮獲瑪麗居里ETH博士後獎學金。2014年，袁教授創造性提出GPCRs的激活機制與連續水分子通路 (Nature Communications, 2014) 學說，並得到同行的廣泛認可。自2014年起，袁教授在瑞士第四大製藥公司 Idorsia (原來的Actelion) 從事計算機輔助藥物設計 (CADD) 工作長達5年之久。在過去幾年當中，袁教授設計出上千個活性藥物分子。其中他所設計的兩個藥物分子已經進入臨牀測試階段，並且獲批全球範圍內的國際專利。2018年，袁教授被波蘭華沙大學聘爲"特聘教授"。2019年，袁教授被中國科學院深圳先進技術研究院聘爲正研究員，博士生導師。同年，他與Horst Vogel教授一起創立了 “計算機輔助藥物設計研究中心”，並擔任中心主任。2021年，該中心獲批深圳市“計算機輔助藥物設計”重點實驗室。目前中心已有四位全職海外高層次人才、學生、博後總共合計20餘人。中心也建立起完整的細胞生化實驗室、化學實驗室以及生物技術實驗室。中心致力於通過人工智能、生物計算以及原創生物技術的方法進行原創新藥發現。中心熱誠歡迎學生、博後、PI加入中心，共同爲新藥研發而努力。

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