μ 型阿片受體對嗎啡和芬太尼的分子識別方式及應(yīng)用
副作用限制臨床應(yīng)用
根據(jù) 2019 年發(fā)布的報告，超過 70% 的“阿片類藥物危機”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 蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo) (圖 1)，然而，其副作用 (呼吸抑制等) 究竟是由哪個信號通路產(chǎn)生，目前存在爭議：一種觀點認為由 β-arrestin 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)引起，另一觀點認為與 G 蛋白門控的內(nèi)向整流鉀通道 (GIRK) 的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)。
圖 1. 芬太尼和嗎啡誘導(dǎo)的 μOR 信號傳遞和潛在的藥理作用[1]
如何減少副作用？
■ 芬太尼和嗎啡如何進行信號轉(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 (一種擬肽激動劑，可激活 μOR-Gi 復(fù)合物，作為對照)——的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)情況。
如果所示 (圖 2a)，所有五個配體都能激活 μOR，以抑制 cAMP 的產(chǎn)生，芬太尼、嗎啡和 PZM21 是完全激動劑，而 SR17018 和 TRV130 是部分激動劑。
在 β-arrestin 招募測定中沒有檢測到 PZM21 的反應(yīng)信號，而對 SR17018 和 TRV130 只產(chǎn)生微弱的信號。相比之下，嗎啡和芬太尼都能誘導(dǎo)強大的 β-arrestin 招募 (圖 2b)�？偠灾�，芬太尼和嗎啡不僅能完全激活 μOR，還可誘導(dǎo)強大的 β-arrestin 招募。
a-b: 阿片類激動劑的 cAMP 積累 (a) 和 β-arrestin2 (b) 招募的劑量依賴反應(yīng)曲線。DAMGO 為對照物，數(shù)據(jù)根據(jù) DAMGO 的最大反應(yīng)進行歸一化。
■ 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)，D1493.32 與附近的殘基 Q1262.60 和 Y3287.43（DQY 極性模體，以下簡稱 DQY模體）在兩個結(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 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的效力，這表明 DQY 極性模體對 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]
此外，芬太尼和嗎啡配體結(jié)合袋周圍的殘基突變，包括 Y1503.33、M1533.36、V2385.42、I2986.51 和 H2996.52，導(dǎo)致兩種配體對 G 蛋白和 β-arrestin 信號的活性減弱 (圖 4a-b)。
圖 4. a: 芬太尼和嗎啡對 μOR 突變體的 Gi 激活減少所誘導(dǎo)的 cAMP 積累。每一欄的數(shù)值表示代表性的 μOR 突變體相對于 WT μOR的效力 (ΔpEC50) 的差異。b: 芬太尼 (上) 和嗎啡 (下) 激活的小袋中 WT 和突變體 μORs 的 cAMP 測定[1]
■ 引起 β-arrestin 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵因素又是什么？
作者對 μOR 正位結(jié)合口袋的殘基進行了突變，并測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 β-arrestin 信號的影響更為明顯。比如，來自 TM6 的 W295A 和來自 TM7 的W320A 突變在 cAMP 積累和 G 蛋白招募方面對 G 蛋白信號轉(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 的相互作用對引起 β-arrestin 的信號轉(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)計分子降低 β-arrestin 活性了嗎？為了進一步驗證上述發(fā)現(xiàn)，作者設(shè)計了兩個結(jié)構(gòu)相似的芬太尼衍生物 FBD1 (部分激動劑) 和 FBD3 (完全激動劑)，以獲得 β-arrestin 信號傳導(dǎo)減少/消失但 G 蛋白活性相對完整的 μOR 激動劑 (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。
實驗結(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 Gi 招募試驗中顯示出與芬太尼幾乎相同的效力和效率 (圖 6b-c)。
該研究進一步說明了配體與 TM6/7 的相互作用對引起 μOR 的 β-arrestin 信號轉(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 (圖 7)。
圖 7. μOR 的配體誘導(dǎo)的不同信號模型[1]
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相關(guān)產(chǎn)品 |
| DAMGO TFA 選擇性 μ 型阿片受體激動劑 (Kd = 3.46 nM)。 |
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選擇性 μ 型阿片受體激動劑 (EC50 = 1.8 nM) |
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μ 型阿片受體激動劑，能與 GTPγS 結(jié)合 (EC50 = 97 nM)。 |
參考文獻
[2] Vadivelu N, et al. The Opioid Crisis: a Comprehensive Overview. Curr Pain Headache Rep. 2018 Feb 23;22(3):16.
