大麻，早在千年之前传统医学的经典著作《黄帝内经》中就被记载了是拥有治疗价值的药物，其中的活性成分作用于人体内的大麻素受体，可以有效治疗焦虑、抑郁、疼痛和癫痫等疾病。
然而，大麻类药物因为其严重的副作用，包括药物耐受、成瘾以及躯体僵直等，极大地限制了它的临床应用。那么，如何让大麻在发挥治疗作用的同时减弱或规避其副作用，成为了亟待解决的科学难题。
北京时间2023年12月14日晚，浙江大学医学院李晓明教授课题组、张岩教授课题组合作在Cell上发表了题为“Snapshot of the cannabinoid receptor 1–arrestin complex unravels the biased signaling mechanism”的研究论文。
该项研究成功从原子分辨率水平解析了大麻素受体CB1的β-arrestin1信号转导复合物的精细三维结构，结合细胞水平功能分析阐明了大麻素受体CB1介导β-arrestin信号的关键结构决定因素以及下游G蛋白和β-arrestin选择性信号转导机制，为推动开发精细调控CB1功能信号的合成大麻素奠定基础，从而在保留大麻治疗效果的同时规避其副作用。
大麻类药物通过作用于人体内G蛋白偶联受体（G-protein coupled receptor, GPCR）家族中的大麻素受体，尤其是大麻素1型受体（Cannabinoid receptor 1, CB1），发挥情绪调节、神经保护等生理功能。李晓明教授团队长期关注焦虑障碍、抑郁症、疼痛以及创伤性应激障碍等神经精神疾病的神经机制，致力于寻求关键靶标分子并提供相应的治疗策略。研究团队前期研究发现了CB1在杏仁核胆囊收缩素神经元介导的神经环路中调控负性情绪和抑郁，外源性给予大麻可以通过CB1对抗抑郁（Nature Medicine 2019）；进一步，该团队在成年绒猴中敲低了杏仁核中的CB1，绒猴出现了焦虑样表型（Neuroscience Bulletin 2023）；此外，他们还发现了CB1调控疼痛阈值的神经环路，阐明了大麻镇痛的新机制（Neuron 2020）。这些研究不仅阐明了大麻治疗神经精神疾病的神经机制，还为相关疾病的诊断和治疗提供了新的靶点。
然而，近几十年来，靶向CB1的小分子药物开发面临着巨大的挑战，包括药物滥用的风险以及副作用的控制，严重限制了大麻的临床应用。目前研究认为，在以GPCR为靶点的药物开发中，可以通过操控受体选择激活下游G蛋白信号通路或arrestin信号通路，引发下游不同的细胞级联响应，将大麻的治疗作用与副作用分离，从而开发更安全且副作用更小的药物。但由于缺乏CB1与β-arrestin信号复合物结构，大大阻碍了CB1选择性信号转导机制的研究以及安全的靶向CB1的偏向性药物发现。
张岩教授团队长期致力于细胞跨膜信号转导的机制研究和精准调控手段设计，特别是围绕参与重大疾病的GPCR信号转导调控机制取得重大进展，发展并奠定了基于冷冻电镜的GPCR药理学研究方法，国际首次获得了GPCR信号转导复合物的高分辨率冷冻电镜三维结构，从原子层面解析生命接收信息、处理信息和编译信息的过程，探索影响疾病发生发展和参与疾病调控的重要蛋白质机器的内在机制，为发现创新药靶和调控新机制提供了理论依据，在基于结构设计精细调控GPCR功能的先导分子并实现疾病的精准干预方面取得了系列创新成果。
因此，为了解决上述问题，李晓明教授团队和张岩教授团队合作，不断优化样品制备和计算方法，获得了3.1Å的大麻素受体CB1和下游信号分子β-arrestin1的冷冻电镜复合物结构，这是目前已报道的为数不多的GPCR–arrestin冷冻电镜复合物结构中分辨率最高的。高分辨率的结构不仅清晰准确地展现了在β-arrestin1结合状态下特殊的CB1配体结合特征，还提供了CB1在Gi蛋白结合状态和β-arrestin1结合状态下的精确空间差异信息，有助于阐明了受体选择激活下游不同信号通路的机制。而这是在GPCR–β-arrestin复合物研究中受限于低分辨率始终未能解决的问题。
图1.大麻素受体CB1在偶联Gi状态和偶联β-arrestin1状态的比较
研究发现，相比于Gi蛋白结合状态，β-arrestin1结合状态的CB1存在两处巨大的差异，一处是正构口袋的配体，其母核吲唑环存在额外向下3.2Å的位移，配体末端的甲氧基有5.4Å的明显位移；另一处则是结合下游信号蛋白的胞内口袋，尤其是TM6在β-arrestin1结合状态下产生了向外4.1 Å的位移。这些巨大的差异是以往报道的G蛋白和arrestin蛋白结合状态下的GPCR中首次发现的，这表明CB1是研究GPCR选择性信号转导机制的合适蓝本。
进一步通过分子突变筛选，他们揭示了CB1选择性激活下游两种不同信号通路的机制。在β-arrestin1取代Gi后，β-arrestin1和CB1的TM6上的残基产生空间位阻，引起TM6向外移动，使胞内产生容纳β-arrestin1的空间。TM6的外移带动了胞内T3.46/Y5.58/Y7.53形成极性互作网络来稳定容纳β-arrestin1的宽大口袋。在该极性网络形成后，β-arrestin1结合引起TM6的外移会通过其上的残基传递，最终使得“双拨动开关” F3.46/W6.48发生协同的构象变化，向下偏转。通过功能实验验证，研究人员发现决定CB1选择激活下游G蛋白通路还是β-arrestin通路的关键在于“双拨动开关”，F3.36对激活Gi通路更为关键，而W6.48对激活β-arrestin通路更为重要。“双拨动开关”的额外向下打开为配体提供了额外向下插入的空间，同时，配体侧链的灵活变动维持了其向下插入的构象，从而稳定了“双拨动开关”向下的偏转，并稳定CB1–β-arrestin复合物。以上发现证明了CB1正构口袋和下游信号分子口袋之间的变构相关性。研究团队认为，基于这些发现能准确并高效地设计偏向性CB1小分子，开发以高效、安全为特征的治疗抑郁症、焦虑症和疼痛的新药。
图2.大麻（大麻叶和田地）作用于大脑中CB1受体（越野车）的艺术表现。当CB1被大麻激活时，CB1车辆在高速公路上启动并可以被引导走向特定路线（Gi或β-arrestin信号通路）
浙江大学医学院李晓明教授和张岩教授为该论文共同通讯作者。博士生廖宇莹、博士后张会冰、良渚实验室特聘副研究员沈庆亚和博士生蔡晨曦为本文共同第一作者。此外，博士生丁宇、沈丹丹、郭嘉、秦娇和董映君也在其中做出了重要贡献。
本研究得到国家自然科学基金、国家科技部科技创新2030—“脑科学与类脑研究”重大项目等资助。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.11.017
来源：小柯生命科学
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