学术前沿：5-羟色胺功能新发现，助力抑郁症、精神分裂症等药物研发

5-羟色胺（serotonin,5-HT）是人体中枢神经系统和周围神经系统的主要神经递质之一，其通过结合5-羟色胺受体发挥调控食欲、记忆、认知，情绪调节和成瘾等生理过程，这也使5-羟色胺受体成为抑郁症、精神分裂症、偏头痛等疾病的重要治疗靶点。 5-羟色胺受体家族是GPCR超家族中最复杂的亚家族之一，其包含12种亚型，不同亚型的受体在人体中发挥不同的生理功能，并且与不同种类的G蛋白偶联。其中5-HT4、5-HT6和5-HT7受体主要偶联下游Gs蛋白， 5-HT1和5-HT5受体主要偶联下游Gi蛋白。对于在同一内源性配体5-HT激活后，不同亚型的5-羟色胺受体如何偏好地偶联下游G蛋白来调控细胞应答还不清楚。

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G蛋白偶联受体（GPCRs）是真核生物中最大的一类膜蛋白，在感知胞外信号和介导胞内信息转导中发挥了重要作用，并参与调控多种生理过程，与人类疾病密切相关，是重要的药物靶标蛋白家族。 GPCR与第二信使环磷酸腺苷相关的信号通路中，主要通过刺激型G蛋白（Gs）和抑制型G蛋白（Gi）来区分细胞内不同的信号传递方式。了解受体对Gs和Gi信号通路的选择性机制是人们在GPCR和相关信号转导领域长期关注的科学问题。
近日，中国科学院上海药物研究所研究员徐华强团队，联合浙江大学教授张岩团队以及丹麦哥本哈根大学教授DavidE.Gloriam团队等，在MolecularCell上以GPCRssteerGiandGsselectivityviaTM5-TM6switchesasrevealedbystructuresofserotoninreceptors为题发表最新研究成果，取得了5-羟色胺受体结构和功能领域又一重要进展，成功解析了5-HT4、5-HT6、5-HT7受体与激活型G蛋白（Gs蛋白）和5-HT4受体与抑制型G蛋白（Gi蛋白）结合的复合物三维结构。该研究系统性地揭示了小分子配体5-HT和5-CT识别5-羟色胺受体亚型的结构基础，并阐明了5-羟色胺受体选择性偶联Gs蛋白和Gi蛋白的分子机制。
研究团队采用单颗粒冷冻电镜技术分别对5-HT激活5-HT4、5-HT6形成的Gs复合物、5-CT激活5-HT7形成的Gs复合物和5-HT激活5-HT4形成的Gi复合物进行了结构重塑，最终解析了4个在配体激活状态下与不同蛋白的复合物结构，其中5-HT-5-HT4-Gs复合物结构的分辨率为3.1埃， 5-HT-5-HT6-Gs复合物结构的分辨率为3.3埃， 5-CT-5-HT7-Gs复合物结构的分辨率为3.2埃， 5-HT-5-HT4-Gi复合物结构的分辨率为3.2埃（图1）。该团队将所获的这三种Gs偶联的5-羟色胺受体与Gi偶联的5-羟色胺受体进行了结构比较，并与已发表的19种Gs和Gi偶联的A类GPCRs结构进行比较。他们发现，跨膜螺旋TM5和TM6长度作为“macro-switch”来分别确定受体对Gs和Gi的选择性，且这种TM5-TM6长度的“macro-switch”由A类GPCRs-G蛋白结构共享。此外， TM5和TM6中的特定残基充当“micro-switches”与Gs或Gi形成特定的相互作用。这些结果展示了A类GPCRs的Gs和Gi蛋白偶联选择性或混杂的共同机制（图2）。

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图15-HT4、5-HT6和5-HT7受体结构

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图25-羟色胺受体TM5、TM6对G蛋白选择性偶联的影响
为探究G蛋白偏好5-羟色胺受体的假设，该团队进行了两组实验来检验TM5和TM6的长度是GPCR区分Gs和Gi蛋白的关键因素的假设。第一组实验是将5-HT1A受体的TM6末端螺旋断裂且TM5螺旋延伸或5-HT4、5-HT7受体的TM5末端螺旋断裂且TM6螺旋延伸，功能结果表明这种改造影响了5-HT4、5-HT7受体偶联Gs蛋白的能力，然后将5-HT1A受体由原来Gi偶联转变成了Gs偶联，这些结果支持TM5和TM6长度的“macro-switch”是G蛋白选择性的关键。第二组实验是将Gi偶联的5-HT1A的TM5-TM6区域与Gs偶联的5-HT4和5-HT7受体的TM5-TM6区域互换。研究结果表明，嵌合受体5-HT1A(5-HT4_P5.50-P6.50)与野生型5-HT4具有相似的功能，即具有高组成型激活且几乎不受配体调节。同样， 5-HT1A(5-HT7_P5.50-P6.50)显示出与野生型5-HT7相似的功能，在激动剂诱导下进行的cAMP积累。如果将5-HT4和5-HT7的ICL3替换为5-HT1A ，在激动剂诱导下进行的cAMP积累的能力几乎丧失，类似于野生型5-HT1A受体。综上所述，该团队以5-羟色胺家族受体为切入点揭示了A类GPCRs的Gs、Gi蛋白偶联选择性机制，并扩展了5-羟色胺受体的配体识别基础。