嗎啡和芬太尼的對(duì) μOR 的 β-arrestin 蛋白活性的作用

 
阿片類藥物是治療急性和慢性疼痛的最有效藥物。分別作為具有代表性的阿片類生物堿和合成阿片類藥物，嗎啡和芬太尼被用于癌痛治療、麻醉鎮(zhèn)痛、預(yù)防性鎮(zhèn)痛以及術(shù)后多模式鎮(zhèn)痛。雖然阿片類藥物是有效的止痛藥，但它們會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的副作用，如呼吸抑制 (呼吸抑制所導(dǎo)致的死亡引發(fā)了廣泛傳播的 “阿片類藥物危機(jī)”^[1,2]，尤其是在北美)、成癮和便秘，從而限制了它們的臨床應(yīng)用。
根據(jù) 2019 年發(fā)布的報(bào)告，超過 70% 的“阿片類藥物危機(jī)”死亡是合成阿片類藥物 (主要是芬太尼及其衍生物) 過量使用所致。這些副作用限制了阿片類藥物在臨床的應(yīng)用。

 

 

阿片類藥物的功能由四種 G 蛋白偶聯(lián)受體 (GPCRs) 家族介導(dǎo)，即 μ、κ、δ 和傷害感受肽受體 (NOPR)，在這些阿片受體中，μ 型阿片受體 (μOR) 被發(fā)現(xiàn)是鎮(zhèn)痛和副作用的主要受體。有研究指出，阿片樣物質(zhì)誘導(dǎo)的鎮(zhèn)痛作用歸因于 μOR 的 Gi 蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) (圖 1)，然而，其副作用 (呼吸抑制等) 究竟是由哪個(gè)信號(hào)通路產(chǎn)生，目前存在爭(zhēng)議：一種觀點(diǎn)認(rèn)為由 β-arrestin 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)引起，另一觀點(diǎn)認(rèn)為與 G 蛋白門控的內(nèi)向整流鉀通道 (GIRK) 的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)。

   
今年 11 月，Cell 在線發(fā)表了題為 Molecular recognition of morphine and fentanyl by the human μ-opioid receptor 的研究性論文。這篇文章闡述了芬太尼、嗎啡和其他 μOR 激動(dòng)劑與 μOR 的結(jié)合方式，并揭示了它們與受體結(jié)合的關(guān)鍵差異。該研究還揭示了芬太尼和嗎啡對(duì) μOR 的 β-arrestin 蛋白活性起重要作用的結(jié)構(gòu)因素，并為設(shè)計(jì)有效的、可能更安全的鎮(zhèn)痛劑提供了結(jié)構(gòu)模板^[1]。

■ 芬太尼和嗎啡如何進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)？

該研究首先表征了研究中使用的六種具有不同化學(xué)骨架的阿片類藥物——芬太尼、嗎啡、SR17018、TRV130、PZM21 和 DAMGO (一種擬肽激動(dòng)劑，可激活 μOR-Gi 復(fù)合物，作為對(duì)照)——的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)情況。

如果所示 (圖 2a)，所有五個(gè)配體都能激活 μOR，以抑制 cAMP 的產(chǎn)生，芬太尼、嗎啡和 PZM21 是完全激動(dòng)劑，而 SR17018 和 TRV130 是部分激動(dòng)劑。

在 β-arrestin 招募測(cè)定中沒有檢測(cè)到 PZM21 的反應(yīng)信號(hào)，而對(duì) SR17018 和 TRV130 只產(chǎn)生微弱的信號(hào)。相比之下，嗎啡和芬太尼都能誘導(dǎo)強(qiáng)大的 β-arrestin 招募 (圖 2b)�？偠�言之，芬太尼和嗎啡不僅能完全激活 μOR，還可誘導(dǎo)強(qiáng)大的 β-arrestin 招募。

 

■ 激活 μOR 的關(guān)鍵因素是什么？
芬太尼和嗎啡的化學(xué)骨架彼此不同，因此，作者分別研究了它們與 μOR 的特異性結(jié)合方式。研究表明，芬太尼分子在正位口袋中占據(jù) "Y" 形構(gòu)象，主要與跨膜結(jié)構(gòu)域 (TMD) 的 TM2、TM3、TM6 和 TM7 的殘基接觸；嗎啡采用橢圓的 "O" 型結(jié)構(gòu)，與來自 TM3、TM6 和 TM7 的疏水殘基相互作用 (圖 3)。該研究發(fā)現(xiàn)，D149^3.32 與附近的殘基 Q126^2.60 和 Y328^7.43（DQY 極性模體，以下簡(jiǎn)稱 DQY模體）在兩個(gè)結(jié)構(gòu)中形成極性相互作用 (圖 3a-b)，并且 DQY 極性模體的突變，在很大程度上降低了芬太尼和嗎啡的 G 蛋白和 β-arrestin 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的效力，這表明 DQY 極性模體對(duì) μOR 的激活至關(guān)重要。
 

圖 3. 芬太尼 (a) 和嗎啡 (b) 與 μOR 的相互作用^[1]

在芬太尼和嗎啡結(jié)合的 μOR 結(jié)構(gòu)中，受體部分分別用綠色和藍(lán)色標(biāo)示。Minor pocket 中的殘基用深綠色表示。芬太尼：紫色；嗎啡：金色。

 

此外，芬太尼和嗎啡配體結(jié)合袋周圍的殘基突變，包括 Y150^3.33、M153^3.36、V238^5.42、I298^6.51 和 H299^6.52，導(dǎo)致兩種配體對(duì) G 蛋白和 β-arrestin 信號(hào)的活性減弱 (圖 4a-b)。
 
■ 引起 β-arrestin 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵因素又是什么？
作者對(duì) μOR 正位結(jié)合口袋的殘基進(jìn)行了突變，并測(cè)試了這些突變體分別通過芬太尼、嗎啡和 DAMGO 激活 G 蛋白信號(hào)和 β-arrestin 招募的能力。
結(jié)果顯示，與 TM2 和 TM3 側(cè)的殘基相比，TM6 和 TM7 附近的殘基突變對(duì) β-arrestin 信號(hào)的影響更為明顯。比如，來自 TM6 的 W295A 和來自 TM7 的W320A 突變?cè)?cAMP 積累和 G 蛋白招募方面對(duì) G 蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)只有最小或部分影響，而它們幾乎取消了芬太尼、嗎啡和 DAMGO 誘導(dǎo)的 β-arrestin 招募 (圖 5b)。
這說明，配體與 TM6/7 的相互作用對(duì)引起 β-arrestin 的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至關(guān)重要。

圖 5. TM6/7 的代表性殘基的突變適度影響了 cAMP 反應(yīng)，但取消了芬太尼 (a)、嗎啡 (b) 和DAMGO (c) 誘導(dǎo)的 β-arrestin 2 的招募^[1]

■ 設(shè)計(jì)分子降低 β-arrestin 活性了嗎？
為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述發(fā)現(xiàn)，作者設(shè)計(jì)了兩個(gè)結(jié)構(gòu)相似的芬太尼衍生物 FBD1 (部分激動(dòng)劑) 和 FBD3 (完全激動(dòng)劑)，以獲得 β-arrestin 信號(hào)傳導(dǎo)減少/消失但 G 蛋白活性相對(duì)完整的 μOR 激動(dòng)劑 (圖 6a)，也就是說，F(xiàn)BD1 和 FBD3 與μOR 的 TM6/7 之間的相互作用被削弱。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：與芬太尼相比，F(xiàn)BD1 和 FBD3 都顯示出 β-arrestin 招募活性的極大降低，并且，F(xiàn)BD3 在 cAMP 抑制或 G_i 招募試驗(yàn)中顯示出與芬太尼幾乎相同的效力和效率 (圖 6b-c)。
該研究進(jìn)一步說明了配體與 TM6/7 的相互作用對(duì)引起 μOR 的 β-arrestin 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至關(guān)重要，減少這種相互作用可能導(dǎo)致配體優(yōu)先通過 G 蛋白途徑轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào) (圖 7)。

圖 7. μOR 的配體誘導(dǎo)的不同信號(hào)模型^[1]

   
這篇文章揭示了人類 μ 型阿片受體對(duì)嗎啡和芬太尼的分子識(shí)別方式，并提出了基于芬太尼結(jié)構(gòu)的類似物設(shè)計(jì)，削弱 μOR 的 β-arrestin 活性的思路。該研究有助于合理設(shè)計(jì)下一代鎮(zhèn)痛劑，并有望在減少阿片類藥物副作用的同時(shí)不影響其鎮(zhèn)痛作用，甚至增強(qiáng)鎮(zhèn)痛效果。
 

相關(guān)產(chǎn)品

DAMGO TFA 選擇性 μ 型阿片受體激動(dòng)劑 (Kd = 3.46 nM)。

‍PZM21 選擇性 μ 型阿片受體激動(dòng)劑 (EC50 = 1.8 nM)

SR17018 μ 型阿片受體激動(dòng)劑，能與 GTPγS 結(jié)合 (EC50 = 97 nM)。

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參考文獻(xiàn)

[1] Zhuang Y, H. Eric Xu, Xin Xie, Ming-Wei Wan, et al. Molecular recognition of morphine and fentanyl by the human μ-opioid receptor. Cell. 2022 Nov 10;185(23):4361-4375.e19.
 
 
[2] Vadivelu N, et al. The Opioid Crisis: a Comprehensive Overview. Curr Pain Headache Rep. 2018 Feb 23;22(3):16.