大麻，早在千年之前傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的經(jīng)典著作《黃帝內(nèi)經(jīng)》中就被記載了是擁有治療價(jià)值的藥物，其中的活性成分作用于人體內(nèi)的大麻素受體，可以有效治療抑郁、焦慮、疼痛和癲癇。既然它有如此重要的藥用價(jià)值，那么為什么在絕大多數(shù)國家，大麻及其衍生物會(huì)被嚴(yán)格管控而難以用于臨床呢？答案很簡單，大麻存在嚴(yán)重的副作用。包括藥物耐受、精神活性以及軀體僵直在內(nèi)的副作用阻礙了大麻的臨床藥用。那么，如何讓大麻走上“正途”，在發(fā)揮治療作用的同時(shí)減弱甚至規(guī)避其副作用，成為了亟待解決的科學(xué)難題。
大麻（pexels.com）
近日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院李曉明教授課題組聯(lián)合張巖教授課題組科研攻關(guān)，成功從原子分辨率水平解析了大麻素受體CB1和β-arrestin1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)，結(jié)合細(xì)胞水平功能分析發(fā)現(xiàn)了大麻素受體CB1介導(dǎo)β-arrestin信號(hào)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)決定因素，闡明了大麻素受體CB1產(chǎn)生下游特定信號(hào)譜圖的機(jī)制，為推動(dòng)開發(fā)精細(xì)調(diào)控大麻素受體CB1功能信號(hào)的合成大麻素奠定了基礎(chǔ)，有望在保留大麻治療效果的同時(shí)規(guī)避其副作用。
這一重要發(fā)現(xiàn)于北京時(shí)間2023年12月15日發(fā)表在《細(xì)胞》上。李曉明和張巖為該論文共同通訊作者。浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生廖宇瑩、博士后張會(huì)冰、特聘副研究員沈慶亞和博士生蔡晨曦為本文共同第一作者。此外，博士生丁宇、沈丹丹、郭嘉、秦嬌和董映君也在其中做出了重要貢獻(xiàn)。
亟待完善的“拼圖”
李曉明團(tuán)隊(duì)長期研究焦慮障礙、抑郁癥、疼痛以及創(chuàng)傷性應(yīng)激障礙等神經(jīng)精神疾病的發(fā)病機(jī)制，致力于發(fā)現(xiàn)診治新靶點(diǎn)并提供相應(yīng)的治療策略。研究團(tuán)隊(duì)前期研究發(fā)現(xiàn)了大麻通過大麻素受體CB1調(diào)控負(fù)性情緒、焦慮和抑郁的關(guān)鍵腦區(qū)和神經(jīng)機(jī)制，外源性給予大麻通過大腦中杏仁核的大麻素受體CB1可以對(duì)抗負(fù)性情緒和抑郁（Nature Medicine, 2019），在成年絨猴中敲低杏仁核中的CB1，絨猴就出現(xiàn)了焦慮樣表型（Neuroscience Bulletin, 2023）。此外，他們還發(fā)現(xiàn)了CB1調(diào)控疼痛的關(guān)鍵腦區(qū)和神經(jīng)環(huán)路，闡明了大麻鎮(zhèn)痛的新機(jī)制（Neuron, 2020）。這些研究不僅闡明了大麻治療神經(jīng)精神疾病的神經(jīng)機(jī)制，還為相關(guān)疾病的診斷和治療提供了新的靶點(diǎn)。
然而，近幾十年來，靶向大麻素受體CB1的小分子藥物開發(fā)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，包括藥物濫用的風(fēng)險(xiǎn)以及副作用的控制。大麻素受體CB1屬于G蛋白偶聯(lián)受體，通過激活下游Gi/o和β-arrestin（阻遏素）這兩類信號(hào)來發(fā)揮功能。目前研究認(rèn)為，在以G蛋白偶聯(lián)受體為靶點(diǎn)的藥物開發(fā)中，如果可以通過操控受體選擇激活下游特定的G蛋白信號(hào)通路或arrestin（阻遏素）信號(hào)通路，引發(fā)不同的細(xì)胞級(jí)聯(lián)響應(yīng)，就能將大麻的治療作用與副作用分離，從而開發(fā)更安全且副作用更小的藥物。因此，獲得CB1 –β-arrestin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物結(jié)構(gòu)并闡明選擇性機(jī)制就成為了完善大麻素受體CB1成藥的一塊關(guān)鍵“拼圖”。
而要完成“拼圖”，則需要“火眼金睛”和“金剛鉆”。
張巖團(tuán)隊(duì)長期致力于細(xì)胞跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制研究和精準(zhǔn)調(diào)控手段設(shè)計(jì)，特別是圍繞參與重大疾病的G蛋白偶聯(lián)受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控機(jī)制取得重大進(jìn)展，發(fā)展并奠定了基于冷凍電鏡的G蛋白偶聯(lián)受體藥理學(xué)研究方法，國際首次獲得了G蛋白偶聯(lián)受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)，從原子層面解析生命接收信息、處理信息和編譯信息的過程，探索影響疾病發(fā)生發(fā)展和參與疾病調(diào)控的重要蛋白質(zhì)機(jī)器的內(nèi)在機(jī)制，為發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新藥靶和調(diào)控新機(jī)制提供了理論依據(jù)，在基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精細(xì)調(diào)控G蛋白偶聯(lián)受體功能的先導(dǎo)分子并實(shí)現(xiàn)疾病的精準(zhǔn)干預(yù)方面取得了系列創(chuàng)新成果。
于是，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)開始聯(lián)合攻關(guān)。
分道揚(yáng)鑣的“開關(guān)”
觸發(fā)大麻素受體CB1下游不同信號(hào)通路的“開關(guān)”究竟是什么？
李曉明團(tuán)隊(duì)和張巖教授團(tuán)隊(duì)合作，不斷優(yōu)化樣品制備和計(jì)算方法，獲得了3.1 ?的大麻素受體CB1和下游信號(hào)分子β-arrestin1的冷凍電鏡復(fù)合物結(jié)構(gòu)。這也是在當(dāng)前為數(shù)不多的“GPCR –arrestin快照”中分辨率最高的一個(gè)結(jié)構(gòu)。由此科研人員不僅清晰準(zhǔn)確地展現(xiàn)了在β-arrestin1結(jié)合狀態(tài)下特殊的CB1配體結(jié)合特征，還提供了大麻素受體CB1在Gi蛋白結(jié)合狀態(tài)和β-arrestin1結(jié)合狀態(tài)下的精確空間差異信息，從而“看清楚”上游來的信息為什么在大麻素受體CB1中，會(huì)有所偏好地選擇其中的一條道路走下去。
大麻素受體CB1 –β-arrestin1冷凍電鏡結(jié)構(gòu)
團(tuán)隊(duì)通過結(jié)構(gòu)分析和突變篩選，進(jìn)一步揭示了大麻素受體CB1偏向性激活的奧秘在于受體中的特殊 “開關(guān)”。信息到達(dá)受體胞外口袋之后，會(huì)通過這個(gè)“開關(guān)”形成分道揚(yáng)鑣的“處理意見”，從而決定受體要走G蛋白通路還是β-arrestin通路。
大麻“去毒”的關(guān)鍵
那么，配體的結(jié)構(gòu)差異是否可能成為研究大麻“去毒”關(guān)鍵的突破口呢？
團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究揭示了大麻素受體CB1的配體口袋與下游不同信號(hào)分子口袋的偏向性信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑。
大麻素受體CB1在偶聯(lián)Gi狀態(tài)和偶聯(lián)β-arrestin1狀態(tài)的比較
形象地說，如果把大麻素受體CB1比作一扇門，上面有兩把鎖，可以開往不同的道路，配體比作鑰匙，那么CB1 –β-arrestin結(jié)構(gòu)則彌補(bǔ)了缺少的“拼圖”，揭示了打開不同通路的鎖芯構(gòu)造的差異，從而獲得適配鑰匙所需要的形狀特征，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出開啟下游不同信號(hào)通路的偏向性合成大麻素，這解決了以往需要大量人力物力進(jìn)行藥物篩選的問題。
張巖表示，如果能阻礙CB1 –β-arrestin結(jié)構(gòu)中配體側(cè)鏈的靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，則可設(shè)計(jì)出G蛋白偏向性的合成大麻素；如果能幫助配體插入正構(gòu)口袋的深處，則可設(shè)計(jì)出β-arrestin偏向性的合成大麻素。
“目前，醫(yī)用大麻用于神經(jīng)精神疾病的臨床治療因?yàn)楦弊饔萌杂泻荛L一段路要走”，李曉明說，“但是我們的研究為高效、精準(zhǔn)設(shè)計(jì)更優(yōu)的‘鑰匙’奠定了夯實(shí)的基礎(chǔ)。我們目前已經(jīng)成功設(shè)計(jì)了偏向性的合成大麻素，正在開展相關(guān)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究?！?/span>
《細(xì)胞》雜志的評(píng)審專家認(rèn)為：“這項(xiàng)研究對(duì)于理解CB1受體配體偏向信號(hào)傳遞機(jī)制邁出了重要的一步，為發(fā)現(xiàn)新穎的偏向性CB1小分子奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在以CB1為靶點(diǎn)的藥物開發(fā)中具有重要意義。”
本研究得到國家自然科學(xué)基金、國家科技部科技創(chuàng)新2030—“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目等資助。
（文 吳雅蘭 柯溢能/圖片由課題組提供）
