深圳先進院等在冷凍電鏡技術領域取得新突破
近日，中國科學院深圳先進技術研究院計算機輔助藥物設計中心袁曙光課題組與德國馬普生物物理所合作，利用真實細胞膜冷凍電鏡技術，解析了血清素受體5-HT3離子通道的高分辨率三維精細結構，并通過生物計算系統(tǒng)闡述了其信號轉導的分子原理。相關工作以Asymmetric opening of the homopentameric 5-HT3A serotonin receptor in lipid bilayers為題發(fā)表在Nature Communications上。袁曙光研究員和Mikhail Kudryashev研究員為共同通訊作者，張盈怡博士和Patricia M. Dijkman 為共同一作。深圳先進院鄒榮峰博士后和Horst Vogel教授也參與該工作。
該工作首次突破性地證明傳統(tǒng)的人造細胞膜環(huán)境下所解析的冷凍結構與真實細胞膜環(huán)境下的結構差異巨大（主鏈RMSD高達33埃），顛覆傳統(tǒng)人們所認為的在人造細胞膜或者沉淀劑的環(huán)境下所解析的膜蛋白三維結構與其生理狀態(tài)下的結構相同的觀點。此外，通過全原子分子動力學模擬的方法，團隊發(fā)現(xiàn)激動劑可以正常激活真實細胞膜環(huán)境下所解析的結構，而不能激活在人造細胞膜環(huán)境下所解析的結構。這一發(fā)現(xiàn)進一步佐證了人造細胞膜或沉淀劑環(huán)境下所解析的膜蛋白三維結構與真實生理狀態(tài)差異巨大，不一定具有生理活性。
血清素受體（或稱5-羥色胺受體）是在中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的一組G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)和配體門控離子通道(LGIC)，位于動物神經(jīng)細胞和其它類型細胞的細胞膜，并介導血清素作為內(nèi)源性配體和廣泛范圍的藥物和致幻藥物的作用。血清素受體可分為七個亞科5-HT1, 5-HT2, 5-HT3, 5-HT4, 5-HT5, 5-HT6, 5-HT7。其中5-HT3與抑郁癥、嘔吐、止疼等疾病密切相關，是新藥研發(fā)的重要靶點。
本工作首次在真實細胞膜環(huán)境下解析出5-HT3受體的三維精細冷凍電鏡結構（PDB：6Y5A）。其主鏈的RMSD與人造細胞膜環(huán)境下解析的結構差異高達33埃；離子通道半徑差異高達5埃。通過生理狀態(tài)環(huán)境下的全原子分子動力學模擬發(fā)現(xiàn)，在人造細胞膜環(huán)境下解析的結構與激動劑結合后，不能激活5-HT3受體形成連續(xù)水分子通路，不能激活5-HT3受體行使生理功能和信號轉導。而本團隊在真實細胞膜環(huán)境下所解析的結構在相同條件下可以正常激活5-HT3離子通道并行使正常的信號轉導。
目前，眾多膜蛋白靶標的三維結構均在人造細胞膜和沉淀劑的環(huán)境下所解析。本工作突破性地在真實細胞膜環(huán)境下解析出重要膜蛋白靶標的三維結構，為基于結構的藥物研發(fā)提供了可靠的理論基礎，大大減少了新藥研發(fā)的試錯成本。
真實細胞膜環(huán)境下的結構與人造細胞膜環(huán)境下5-HT3受體結構與功能的差異
