文章信息
文章题目：Structural and signaling mechanisms of TAAR1 enabled preferential agonist design
期刊：Cell
发表时间：2023年11月13日
主要内容：山东大学孙金鹏教授团队、杨帆教授团队，联合四川大学邵振华团队、上海交通大学医学院李乾团队和山东第一医科大学王越团队在Cell杂志上发表了文章Structural and signaling mechanisms of TAAR1 enabled preferential agonist design，研究团队系统地分析了不同内源性胺类和SEP-363856激活TAAR1多种G蛋白信号的特征，解析了不同胺类激活TAAR1-Gs/Gq通路的分子机制和药理学特征，进而成功开发出同时具有Gs和Gq双激活活性的TAAR1小分子激动剂ZH8651，并在小鼠模型中验证了其改善精神分裂的作用。该研究为靶向TAAR1治疗精神分裂症的候选化合物设计及药物开发改造提供了重要参考。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.10.014
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研究背景
单胺类分子是哺乳动物中枢神经系统中重要的神经递质。感知这些单胺类神经递质的G蛋白偶联受体是多种神经元活动的枢纽，也是重要的临床药物靶点。除了上述这些被大家熟知的生物胺类神经递质以外，大脑内还存在一类内源性的胺类分子，被称为“痕量胺”。
2001年研究发现痕量胺能够特异性激活一类受体，这些受体被命名为痕量胺相关受体（Trace Amine-Associated Receptor，TAAR）。TAAR家族在哺乳动物中可以分为两个进化枝：Clade I（包括TAAR1-4） 和 Clade II（包括TAAR5-9），其中，除TAAR1以外，其余均属于一类嗅觉受体亚家族，称为嗅觉TAAR。而TAAR1被称为非嗅觉TAAR。TAAR1能够被多种痕量胺激活，并且与药物成瘾、注意力缺陷多动症、精神分裂症等多种精神疾病相关。尽管靶向TAAR1开发药物具有巨大的治疗潜力，但TAAR1分子识别和信号多样性的机制和药理学基础尚未得到系统研究。且TAAR1具有独特的配体谱，能否基于TAAR1的配体结合域开发出亲和力更高其副作用更小的新化合物，从而为精神分裂症或药物成瘾治疗提供新的候选药物呢？
文章概述
首先，研究团队系统地检测了多种内源性胺类物质及SEP-363856对人源TAAR1（hTAAR1）和小鼠TAAR1（mTAAR1）不同G蛋白亚型的激活情况，结果表明SEP-363856（简称SEP）和PEA能够激活m/hTAAR1的Gs信号通路，三甲胺（TMA）能够激活Gs、Gq、Gi三条信号通路，环己胺（CHA）激活Gq信号通路。有意思的是，研究发现在动物实验中，不仅SEP能够缓解MK-801诱导的精神分裂样症状，激活Gq信号通路的CHA也能够缓解该症状。在分别应用Taar1-/-小鼠和Gq抑制剂后，CHA对精神分裂的缓解作用明显减弱。这提示TAAR1介导的Gq信号通路在MK801诱导的精神分裂症中发挥有益作用，因此开发靶向TAAR1的Gs/Gq双激动剂可能具有更好的应用效果。
基于以上在动物实验中的发现，研究团队解析了SEP-TAAR1-Gs、CHA-TAAR1-Gq、TMA-TAAR1-Gs、PEA-TAAR1-Gs等多个复合物的配体识别机制，发现了胺类识别的结合口袋（primary amine recognition pocket, PARP）。在PARP内部，保守的D1023.32 TMA、CHA、PEA、SEP的氨基基团形成氢键。Y2917.43与D1023.32共同稳定潜在的氢键网络。在口袋底部，W2616.48和F2646.51形成“双”拨动开关，从而诱导TAAR1激活。此外，与仅占据PARP的TMA相比，CHA、PEA和SEP激动剂中存在额外的环状结构，显示出第二结合口袋（second binding pocket，SBP），结构分析和突变数据提示PARP和SBP均介导TAAR1的激活，揭示了TAAR1不同于嗅觉TAAR的配体结合域，同时也提示PARP和SBP是设计TAAR1高效力激动剂的潜在靶标。
TAAR1的配体识别口袋
随后，研究团队进一步找到了激活Gs和Gq通路的关键氨基酸位点。与Gq选择性激动剂CHA相比，两种Gs选择性激动剂SEP和PEA与TAAR1的特定氨基酸之间形成了额外的相互作用，包括S1063.36、Y1534.56、P183ECL2和Y2917.43。因此，研究团队在后续小分子的筛选工作中，将S1063.36和Y2917.43作为Gs选择性激动剂的筛选位点，而I1033.33、F185ECL2和F2656.52作为Gs/Gq双效激动剂的关键筛选位点。与此同时，研究团队详细解释了Gs和Gq信号传递途径的差异，为后续双效激动剂的开发提供了有利信息。
基于结构开发TAAR1激动剂的流程图
最后，研究团队进行了小分子设计及化合物库的建立，设计了“区域接触划分”策略，通过虚拟筛选和细胞生化实验验证，研究团队得到了TAAR1的Gs偶联激动剂ZH8667、Gq偶联激动剂ZH8659、Gs/Gq双偶联激动剂ZH8651。ZH8651能够激活mTAAR1和hTAAR1的Gs、Gq信号通路，亲和力均在nM级别。以SEP作为对照，单次应用ZH8659和ZH8651剂量依赖性地改善MK -801诱导的小鼠精神分裂样症状，其效果与临床三期药物SEP相似。在Taar1-/-小鼠中，ZH8659和ZH8651对精神分裂症的改善作用大大减弱。值得注意的是，单独给药SEP （3 mg/kg）对基础运动有明显的抑制作用，提示SEP可能具有导致自发活动减少的潜在副作用。相比之下，ZH8659或ZH8651没有引起基础活动减少，显示其亲和力高副作用低的优势。
综上，该研究应用基于结构的虚拟筛选和候选化合物设计，开发出一种有效的TAAR1双激动剂，在MK -801诱导的精神分裂症样小鼠模型中表现出治疗潜力，为靶向TAAR1开发抗精神疾病药物先导化合物提供了线索。
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使用Trans5α Chemically Competent Cell (CD201)产品发表的部分文章：
• 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.
