文章信息
文章題目：Structural and signaling mechanisms of TAAR1 enabled preferential agonist design
期刊：Cell
發(fā)表時間：2023年11月13日
主要內(nèi)容：山東大學(xué)孫金鵬教授團隊、楊帆教授團隊，聯(lián)合四川大學(xué)邵振華團隊、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院李乾團隊和山東第一醫(yī)科大學(xué)王越團隊在Cell雜志上發(fā)表了文章Structural and signaling mechanisms of TAAR1 enabled preferential agonist design，研究團隊系統(tǒng)地分析了不同內(nèi)源性胺類和SEP-363856激活TAAR1多種G蛋白信號的特征，解析了不同胺類激活TAAR1-Gs/Gq通路的分子機制和藥理學(xué)特征，進而成功開發(fā)出同時具有Gs和Gq雙激活活性的TAAR1小分子激動劑ZH8651，并在小鼠模型中驗證了其改善精神分裂的作用。該研究為靶向TAAR1治療精神分裂癥的候選化合物設(shè)計及藥物開發(fā)改造提供了重要參考。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.10.014
使用TransGen產(chǎn)品：
Trans5α Chemically Competent Cell (CD201)
研究背景
單胺類分子是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中重要的神經(jīng)遞質(zhì)。感知這些單胺類神經(jīng)遞質(zhì)的G蛋白偶聯(lián)受體是多種神經(jīng)元活動的樞紐，也是重要的臨床藥物靶點。除了上述這些被大家熟知的生物胺類神經(jīng)遞質(zhì)以外，大腦內(nèi)還存在一類內(nèi)源性的胺類分子，被稱為“痕量胺”。
2001年研究發(fā)現(xiàn)痕量胺能夠特異性激活一類受體，這些受體被命名為痕量胺相關(guān)受體（Trace Amine-Associated Receptor，TAAR）。TAAR家族在哺乳動物中可以分為兩個進化枝：Clade I（包括TAAR1-4） 和 Clade II（包括TAAR5-9），其中，除TAAR1以外，其余均屬于一類嗅覺受體亞家族，稱為嗅覺TAAR。而TAAR1被稱為非嗅覺TAAR。TAAR1能夠被多種痕量胺激活，并且與藥物成癮、注意力缺陷多動癥、精神分裂癥等多種精神疾病相關(guān)。盡管靶向TAAR1開發(fā)藥物具有巨大的治療潛力，但TAAR1分子識別和信號多樣性的機制和藥理學(xué)基礎(chǔ)尚未得到系統(tǒng)研究。且TAAR1具有獨特的配體譜，能否基于TAAR1的配體結(jié)合域開發(fā)出親和力更高其副作用更小的新化合物，從而為精神分裂癥或藥物成癮治療提供新的候選藥物呢？
文章概述
首先，研究團隊系統(tǒng)地檢測了多種內(nèi)源性胺類物質(zhì)及SEP-363856對人源TAAR1（hTAAR1）和小鼠TAAR1（mTAAR1）不同G蛋白亞型的激活情況，結(jié)果表明SEP-363856（簡稱SEP）和PEA能夠激活m/hTAAR1的Gs信號通路，三甲胺（TMA）能夠激活Gs、Gq、Gi三條信號通路，環(huán)己胺（CHA）激活Gq信號通路。有意思的是，研究發(fā)現(xiàn)在動物實驗中，不僅SEP能夠緩解MK-801誘導(dǎo)的精神分裂樣癥狀，激活Gq信號通路的CHA也能夠緩解該癥狀。在分別應(yīng)用Taar1-/-小鼠和Gq抑制劑后，CHA對精神分裂的緩解作用明顯減弱。這提示TAAR1介導(dǎo)的Gq信號通路在MK801誘導(dǎo)的精神分裂癥中發(fā)揮有益作用，因此開發(fā)靶向TAAR1的Gs/Gq雙激動劑可能具有更好的應(yīng)用效果。
基于以上在動物實驗中的發(fā)現(xiàn)，研究團隊解析了SEP-TAAR1-Gs、CHA-TAAR1-Gq、TMA-TAAR1-Gs、PEA-TAAR1-Gs等多個復(fù)合物的配體識別機制，發(fā)現(xiàn)了胺類識別的結(jié)合口袋（primary amine recognition pocket, PARP）。在PARP內(nèi)部，保守的D1023.32 TMA、CHA、PEA、SEP的氨基基團形成氫鍵。Y2917.43與D1023.32共同穩(wěn)定潛在的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。在口袋底部，W2616.48和F2646.51形成“雙”撥動開關(guān)，從而誘導(dǎo)TAAR1激活。此外，與僅占據(jù)PARP的TMA相比，CHA、PEA和SEP激動劑中存在額外的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，顯示出第二結(jié)合口袋（second binding pocket，SBP），結(jié)構(gòu)分析和突變數(shù)據(jù)提示PARP和SBP均介導(dǎo)TAAR1的激活，揭示了TAAR1不同于嗅覺TAAR的配體結(jié)合域，同時也提示PARP和SBP是設(shè)計TAAR1高效力激動劑的潛在靶標(biāo)。
TAAR1的配體識別口袋
隨后，研究團隊進一步找到了激活Gs和Gq通路的關(guān)鍵氨基酸位點。與Gq選擇性激動劑CHA相比，兩種Gs選擇性激動劑SEP和PEA與TAAR1的特定氨基酸之間形成了額外的相互作用，包括S1063.36、Y1534.56、P183ECL2和Y2917.43。因此，研究團隊在后續(xù)小分子的篩選工作中，將S1063.36和Y2917.43作為Gs選擇性激動劑的篩選位點，而I1033.33、F185ECL2和F2656.52作為Gs/Gq雙效激動劑的關(guān)鍵篩選位點。與此同時，研究團隊詳細解釋了Gs和Gq信號傳遞途徑的差異，為后續(xù)雙效激動劑的開發(fā)提供了有利信息。
基于結(jié)構(gòu)開發(fā)TAAR1激動劑的流程圖
最后，研究團隊進行了小分子設(shè)計及化合物庫的建立，設(shè)計了“區(qū)域接觸劃分”策略，通過虛擬篩選和細胞生化實驗驗證，研究團隊得到了TAAR1的Gs偶聯(lián)激動劑ZH8667、Gq偶聯(lián)激動劑ZH8659、Gs/Gq雙偶聯(lián)激動劑ZH8651。ZH8651能夠激活mTAAR1和hTAAR1的Gs、Gq信號通路，親和力均在nM級別。以SEP作為對照，單次應(yīng)用ZH8659和ZH8651劑量依賴性地改善MK -801誘導(dǎo)的小鼠精神分裂樣癥狀，其效果與臨床三期藥物SEP相似。在Taar1-/-小鼠中，ZH8659和ZH8651對精神分裂癥的改善作用大大減弱。值得注意的是，單獨給藥SEP （3 mg/kg）對基礎(chǔ)運動有明顯的抑制作用，提示SEP可能具有導(dǎo)致自發(fā)活動減少的潛在副作用。相比之下，ZH8659或ZH8651沒有引起基礎(chǔ)活動減少，顯示其親和力高副作用低的優(yōu)勢。
綜上，該研究應(yīng)用基于結(jié)構(gòu)的虛擬篩選和候選化合物設(shè)計，開發(fā)出一種有效的TAAR1雙激動劑，在MK -801誘導(dǎo)的精神分裂癥樣小鼠模型中表現(xiàn)出治療潛力，為靶向TAAR1開發(fā)抗精神疾病藥物先導(dǎo)化合物提供了線索。
全式金產(chǎn)品支撐
優(yōu)質(zhì)的試劑是科學(xué)研究的利器。全式金的克隆感受態(tài)細胞Trans5α Chemically Competent Cell (CD201) 助力本研究。因其轉(zhuǎn)化效率高，產(chǎn)品性能穩(wěn)定的特點，多次榮登Nature、Cell等期刊。
Trans5α Chemically Competent Cell (CD201)
本產(chǎn)品經(jīng)特殊工藝制作，可用于DNA的化學(xué)轉(zhuǎn)化。使用pUC19質(zhì)粒DNA檢測，轉(zhuǎn)化效率高達108 cfu/μg DNA以上。
產(chǎn)品特點：
● 用于藍白斑篩選。
● recA1和endA1的突變有利于克隆DNA的穩(wěn)定和高純度質(zhì)粒DNA的提取。
全式金產(chǎn)品再一次登上Cell期刊，證明了大家對全式金產(chǎn)品品質(zhì)和實力的認可，也完美詮釋了全式金一直以來秉承的“品質(zhì)高于一切，精品服務(wù)客戶”的理念。全式金始終在助力科研的道路上砥礪前行，希望未來能與更多的科研工作者并肩奮斗，用更多更好的產(chǎn)品持續(xù)助力科研。
使用Trans5α Chemically Competent Cell (CD201)產(chǎn)品發(fā)表的部分文章：
? Shang P, Rong N K, Jiang J J, et al. Structural and signaling mechanisms of TAAR1 enabled preferential agonist design [J]. Cell, 2023.
? Chen J, Yu R, Li N, et al. Amyloplast sedimentation repolarizes LAZYs to achieve gravity sensing in plants[J]. Cell, 2023.
? Li X, Zhang Y, Xu L, et al. Ultrasensitive sensors reveal the spatiotemporal landscape of lactate metabolism in physiology and disease[J]. Cell Metabolism, 2023.
? Zhong S J, Ding W Y, Sun L, et al. Decoding the development of the human hippocampus[J]. Nature, 2020.
? Zhong S J, Zhang S, Fan X Y, et al. A single-cell RNA-seq survey of the developmental landscape of the human prefrontal cortex[J]. Nature, 2018.
? Han Y M, Liu Q Y, Hou J, et al. Tumor-Induced Generation of Splenic Erythroblast-like Ter-Cells Promotes Tumor Progression[J]. Cell, 2018.
Xu X Q, Xu J, Wu J C, et al. Phosphorylation-Mediated IFN-γR2 Membrane Translocation Is Required to Activate Macrophage Innate Response[J]. Cell, 2018.
