據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，全球約有超過(guò)3億抑郁癥患者，其中約2/3的患者有過(guò)自殺意念，約1/4的患者有過(guò)自殺行為。自殺同時(shí)也是當(dāng)下年輕人死亡的主要原因之一，并有將近一半發(fā)生在抑郁癥患者中。目前市售的傳統(tǒng)抗抑郁藥物通常需要長(zhǎng)達(dá)幾周甚至幾個(gè)月后才能起效，并且對(duì)三分之一的難治性抑郁癥患者沒(méi)有改善作用。

　　近年來(lái)，多種致幻劑在抑郁癥治療方面展現(xiàn)了一定的潛能。從“神奇蘑菇”中提取的一種天然致幻劑裸蓋菇素（Psilocybin），于2019年被美國(guó)FDA授予作為重度抑郁癥和藥物抵抗性抑郁癥的突破性療法。二期臨床研究結(jié)果表明，裸蓋菇素單次用藥一天內(nèi)即可極大改善抑郁癥患者的癥狀，且效果可持續(xù)三個(gè)月以上。但是，致幻劑的致幻副作用極大地限制了它們的臨床研究和廣泛應(yīng)用。因此全世界的科學(xué)家一直致力于尋找和研發(fā)非致幻且能快速起效的新型抗抑郁藥。

　　1月28日，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）汪勝研究組與上海科技大學(xué)iHuman研究所程建軍研究組合作在Science雜志發(fā)表了題為Structure-based discovery of non-hallucinogenic psychedelic analogs 的研究論文。該項(xiàng)工作從解析致幻劑與其靶點(diǎn)血清素2A受體（5-HT_2AR）的復(fù)合物結(jié)構(gòu)出發(fā)，發(fā)現(xiàn)致幻劑除了先前預(yù)測(cè)的與5-HT_2AR的經(jīng)典結(jié)合模式之外，存在另一種位于經(jīng)典結(jié)合模式上方的、受脂質(zhì)調(diào)控的結(jié)合模式。研究人員發(fā)現(xiàn)在脂質(zhì)分子存在下，致幻劑的第二種結(jié)合模式對(duì)于5-HT_2AR下游β-arrestin信號(hào)的偏好性激活至關(guān)重要；進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明致幻劑的致幻效果與G蛋白和β-arrestin兩條下游信號(hào)同時(shí)高效率激活密切相關(guān)?；诘诙N結(jié)合模式，研究人員設(shè)計(jì)并合成了以IHCH-7086和IHCH-7079為代表的一系列5-HT_2AR的β-arrestin信號(hào)偏好性激動(dòng)劑；并在動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中證明該系列化合物無(wú)致幻作用，但具備與致幻劑相似的快速抗抑郁效果。

　?。?）脂質(zhì)對(duì)血清素2A受體的激活

　　Psilocybin（裸蓋菇素）在人體內(nèi)被代謝為psilocin（脫磷酸裸蓋菇素），后者與5-HT_2AR結(jié)合發(fā)揮作用。汪勝研究組首先解析了5-HT_2AR與內(nèi)源性配體serotonin（血清素），致幻劑psilocin，致幻劑LSD（麥角酸二乙基酰胺）以及非致幻劑lisuride（麥角乙脲，帕金森病藥物）等四種復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)。LSD和lisuride的麥角靈骨架的結(jié)合位置與實(shí)驗(yàn)室前期解析的其他麥角靈藥物類似，均結(jié)合在正位結(jié)合位點(diǎn)（orthosteric binding pocket，OBP）；與之前預(yù)測(cè)的正位結(jié)合位點(diǎn)不同，serotonin和psilocin受脂質(zhì)調(diào)控結(jié)合在OBP上方的延伸性口袋（Extended binding pocket，EBP）。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該脂質(zhì)為monoolein（甘油單油酸酯），可占據(jù)5-HT_2AR獨(dú)有的側(cè)邊口袋（side-extended pocket，SEP），并與TM5的殘基有一定的極性相互作用。實(shí)驗(yàn)表明monoolein通過(guò)G2385.42殘基位置進(jìn)入OBP，激活5-HT_2AR下游的G蛋白信號(hào)并且該信號(hào)的激活可以被5-HT_2AR的選擇性抑制劑MDL100907所抑制。

圖1 脂質(zhì)對(duì)5-HT_2AR的激活

　?。?）serotonin和psilocin在血清素2A受體中的第二種結(jié)合模式

　　研究人員認(rèn)為serotonin和psilocin在5-HT_2AR中的兩種不同的結(jié)合形式（OBP和EBP），可能對(duì)受體功能產(chǎn)生不同的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單獨(dú)monoolein無(wú)法激活5-HT_2AR下游的β-arrestin信號(hào)，但在serotonin存在的情況下可劑量依賴性地激活β-arrestin信號(hào)。相比之下，LSD存在的情況下，未能深入OBP的monoolein則不能激活β-arrestin信號(hào)。結(jié)果表明serotonin和psilocin的第二種結(jié)合模式對(duì)其β-arrestin信號(hào)的激活至關(guān)重要。

圖2 脂質(zhì)存在下serotonin和psilocin結(jié)合在EBP中

　   對(duì)5-HT_2AR-LSD和5-HT_2AR-lisuride結(jié)構(gòu)的比對(duì)表明，LSD中的兩個(gè)乙基均接觸EBP中的殘基Y3707.43，而lisuride只有一個(gè)乙基與其相互作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)5-HT_2AR-Y370^7.43W突變體能顯著提高lisuride的β-arrestin信號(hào)，而對(duì)于G蛋白信號(hào)影響不大。然而由于Y3707.43直接與LSD的兩個(gè)乙基相互作用，Y3707.43W突變體同時(shí)降低了LSD介導(dǎo)的G蛋白信號(hào)和β-arrestin信號(hào)。結(jié)果表明雖然LSD和lisuride在OBP中結(jié)合模式相似，但在EBP中結(jié)合模式的不同導(dǎo)致其與TM7的相互作用不同，從而影響了下游的β-arrestin信號(hào)。

圖3 Y3707.43對(duì)lisuride和LSD激活5-HT_2AR下游信號(hào)的影響

　　早期多種研究表明致幻劑對(duì)5-HT_2AR的親和力與其精神活性密切相關(guān)。動(dòng)物行為模型不能精確地捕捉到由致幻劑在人類中產(chǎn)生的知覺(jué)、認(rèn)知和情緒的擾動(dòng)。然而，研究表明，小鼠頭部抽搐反應(yīng)（Head twitch response，簡(jiǎn)稱HTR）與人類產(chǎn)生致幻劑誘導(dǎo)產(chǎn)生的幻覺(jué)密切相關(guān)。研究人員進(jìn)一步通過(guò)搭建的基于磁信號(hào)檢測(cè)小鼠HTR的模型中驗(yàn)證了5-HT_2AR-Y370^7.43W點(diǎn)突變小鼠可以成功抹去LSD的HTR效應(yīng)，同時(shí)保留了LSD的抗抑郁效果。結(jié)果表明致幻劑的精神活性作用需要5-HT_2AR介導(dǎo)高效率的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，且致幻劑的致幻效果和抗抑郁效果可通過(guò)改變5-HT_2AR激動(dòng)劑的藥理學(xué)活性而分離。

圖4 5-HT_2AR-Y370^7.43W小鼠對(duì)LSD的致幻和抗抑郁效果的影響

　?。?）以結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向合成β-arrestin信號(hào)偏好性化合物

　　通過(guò)上述數(shù)據(jù)，研究人員推測(cè)靶向EBP可以增強(qiáng)5-HT_2AR介導(dǎo)的β-arrestin信號(hào)，有利于設(shè)計(jì)出β-arrestin信號(hào)偏好性配體。實(shí)驗(yàn)室前期的研究結(jié)果表明抗精神病藥物的頭部基團(tuán)均與其GPCR靶向受體的EBP相結(jié)合，并且5-HT_2AR是非典型抗精神病藥物的重要靶點(diǎn)之一。通過(guò)分析市售的幾十種抗精神病藥物，研究人員鎖定了2019年FDA批準(zhǔn)上市的lumateperone（盧美哌隆，5-HT_2AR的抑制劑）；并解析了其與5-HT_2AR的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)lumateperone頭部基團(tuán)的四環(huán)骨架結(jié)合在5-HT_2AR的EBP。研究人員基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并合成了頭部基團(tuán)：IHCH-7113。進(jìn)一步數(shù)據(jù)表明，IHCH-7113具有微弱的β-arrestin信號(hào)偏好性且在5-HT_2AR兩條下游信號(hào)通路中均具有較高的激活效率，可誘導(dǎo)小鼠產(chǎn)生HTR。

圖5 IHCH-7113的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，激活信號(hào)和致幻效果

　　進(jìn)一步通過(guò)以結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向的化合物理性設(shè)計(jì)，研究人員在IHCH-7113的基礎(chǔ)上引入甲氧基苯基合成了IHCH-7086及其系列衍生物；使其相對(duì)lumateperone的氟苯基避開5-HT_2AR的PIF結(jié)構(gòu)域（決定了lumateperone的抑制劑效果）；同時(shí)按照設(shè)計(jì)，該系列化合物將以結(jié)合EBP為主（β-arrestin偏好），同時(shí)避開結(jié)合OBP的脂質(zhì)結(jié)合口袋（G 蛋白偏好）。通過(guò)解析IHCH-7086和5-HT_2AR的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，IHCH-7086在5-HT_2AR中的結(jié)合模式的確如研究人員所設(shè)想，且IHCH-7086表現(xiàn)出明顯的β-arrestin信號(hào)偏好性。

圖 6 IHCH-7086的激活信號(hào)和與5-HT_2AR結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)

　 （4）5-HT_2AR介導(dǎo)的下游信號(hào)在致幻和抗抑郁行為中的效果

　　研究人員進(jìn)一步通過(guò)基于磁信號(hào)檢測(cè)小鼠HTR的模型中檢測(cè)了IHCH-7086，IHCH-7079（IHCH-7086類似物）的致幻效果，結(jié)果表明具有明顯的β-arrestin信號(hào)偏好性的IHCH-7086和IHCH-7079在注射高劑量（10 mg/kg）的情況下也不會(huì)誘導(dǎo)小鼠產(chǎn)生HTR。

　　隨后研究人員在不同方法構(gòu)建的小鼠抑郁樣模型中驗(yàn)證了IHCH-7086和IHCH-7079的抗抑郁效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明IHCH-7079和IHCH-7086與先前已報(bào)道的LSD所具有的抗抑郁效果類似，能夠明顯改善小鼠的抑郁樣行為，并且5-HT_2AR的選擇性抑制劑MDL100907能抑制它們的改善作用。

圖7 IHCH-7086和IHCH-7079的致幻和抗抑郁效果

　　該項(xiàng)工作對(duì)于psilocybin這一類致幻劑的研究，不僅深入闡明致幻的分子機(jī)制，同時(shí)有助于理解致幻劑緩解抑郁癥的藥理機(jī)制，為新型速效、長(zhǎng)效抗抑郁藥物的研發(fā)提供理論指導(dǎo)。需要指出的是，化合物并不等同于藥品，該研究團(tuán)隊(duì)的科研人員正在進(jìn)行系統(tǒng)的化合物成藥性驗(yàn)證以及先導(dǎo)化合物的持續(xù)優(yōu)化工作，爭(zhēng)取早日使其成為造?；颊叩乃幤?。致幻劑的“改邪歸正”之路依舊“路漫漫其修遠(yuǎn)兮”，研究人員將會(huì)繼續(xù)“吾將上下而求索”。

　　分子細(xì)胞卓越中心汪勝研究組博士研究生曹冬梅、助理研究員余競(jìng)、上?？萍即髮W(xué)程建軍組助理研究員王歡、蘇州大學(xué)羅智璞教授和分子細(xì)胞卓越中心李勁松研究組博士研究生劉芯宇為該論文的共同第一作者，分子細(xì)胞卓越中心汪勝研究員和上海科技大學(xué)iHuman研究所程建軍研究員為該論文的共同通訊作者。同時(shí)該項(xiàng)工作也得到了分子細(xì)胞卓越中心李勁松院士和公安部第三研究所林何博士的協(xié)助。該項(xiàng)研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)啟明星計(jì)劃項(xiàng)目等資助。該項(xiàng)研究工作同時(shí)得到了分子細(xì)胞卓越中心化學(xué)生物學(xué)技術(shù)平臺(tái)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)的大力支持。

      文章鏈接： https://doi.org/10.1126/science.abl8615