经典的单胺类神经递质，包括多巴胺、去甲肾上腺素和5-羟色胺等，负责调控多种生理和认知功能，如运动、睡眠、奖赏和情绪。除了这些大家熟知的神经递质外，哺乳动物体内还存在一类内源性的“痕量胺”，它们虽然浓度很低，但与抑郁症、偏头痛及其他精神疾病密切相关。通过寻找能感知这些痕量胺的受体，人们发现了痕量胺相关受体（TAAR）。
TAAR家族的绝大多数成员均在嗅上皮组织中高表达，只有一个例外，TAAR1主要在大脑的单胺能神经核团中表达。它能够感知一系列内源性胺类代谢物（EAM），从而介导多种心理功能。之前的研究发现，TAAR1激动剂可用于精神分裂症的治疗，而且不会产生常见的副作用。2019年，靶向TAAR1的小分子药物SEP-363856（以下简称SEP）被美国FDA认定为精神分裂症的突破性疗法。不过，有关TAAR1识别多样化激动剂时的结构基础和信号特征，目前仍了解不多。
为此，山东大学孙金鹏教授团队联合四川大学邵振华团队、上海交通大学医学院李乾团队和山东第一医科大学王越团队，系统分析了不同的内源性胺类激活TAAR1多种G蛋白信号的特征，解析了不同胺类激活TAAR1-Gs/Gq通路的分子机制，成功开发出具有Gs和Gq双重激活作用的TAAR1小分子激动剂ZH8651，能够更好的改善精神分裂症状。
这篇题为“Structural and signaling mechanisms of TAAR1 enabled preferential agonist design”的论文于2023年11月22日发表在顶级期刊《Cell》上，为靶向TAAR1治疗精神分裂症的候选化合物设计及药物开发提供了重要参考。
研究材料
在这项研究中，研究人员采用MK-801来诱导精神分裂症样小鼠模型。同时，他们还使用了赛业生物提供的TAAR1缺陷型小鼠（Taar1-/-）。他们构建了mTAAR1-Gs和mTAAR1-Gq复合物，并采用冷冻电镜（cryo-EM）解析了不同胺类与hTAAR1-或mTAAR1-Gs/Gq复合物结合后的结构。最后，他们还通过基于结构的虚拟筛选和候选化合物设计来发现TAAR1-Gs/Gq双通路的小分子激动剂能够更好的改善精神分裂的症状。
技术路线
01
对TAAR1的信号传导多样性进行分析，发现Gq通路的激活也有利于精神分裂症的治疗
02
解析不同胺类与hTAAR1-或mTAAR1-Gs/Gq复合物结合后的结构
03
发现胺类识别结合口袋PARP和第二结合口袋SBP，为后续激动剂的开发提供信息
04
通过基于结构的虚拟筛选和候选化合物设计发现TAAR1的双重激动剂
研究结果
1
Gq介导的mTAAR1激活缓解了小鼠模型的精神分裂症
TAAR1在许多非嗅觉组织中广泛表达，可通过识别一系列不同的EAM激活多种G蛋白亚型。研究人员分析了小鼠TAAR1（mTAAR1）和人类TAAR1（hTAAR1）在不同EAM或临床药物刺激下的G蛋白亚型偶联效率。他们发现，三甲胺（TMA）能够激活所有三种G蛋白亚型（包括Gs、Gq和Gi1）。临床药物SEP以及β-苯乙胺（PEA）等痕量胺仅通过mTAAR1/hTAAR1激活Gs信号通路，而环己胺（CHA）仅能激活Gq信号通路（图1）。
有意思的是，在MK-801诱导的精神分裂症样小鼠模型中，他们发现不仅SEP能减轻精神分裂症的表型，CHA和TMA等也能够缓解疾病症状（图1）。因此他们假设，除了Gs信号通路外，Gq介导的TAAR1激活也有利于精神分裂症的治疗。此外，CHA对精神分裂症的有益作用在Taar1-/-小鼠（赛业生物提供）上大大减弱，在使用Gq抑制剂YM-254890后也大大减弱。这些结果表明，TAAR1下游的Gq激活在MK-801诱导的精神分裂症模型中发挥有益作用，而Gq和Gs通路的联合激活可能具有更好的治疗潜力。
2
TAAR1-Gs/Gq复合物与激动剂结合的结构分析
接下来，研究人员通过冷冻电镜解析了与SEP、TMA、PEA和CHA结合的hTAAR1-或 mTAAR1-Gs/Gq复合物的结构。他们发现了胺类识别的结合口袋（PARP）。在PARP内部，保守的D1023.32与TMA、CHA、PEA和SEP的氨基基团形成氢键。Y2917.43与D1023.32形成桥连来稳定潜在的氢键网络。在口袋底部，W2616.48和F2646.51形成“双”拨动开关，直接与配体接触（图2）。
此外，与只占据PARP的TMA相比，CHA、PEA和SEP激动剂中还存在额外的环状结构，揭示出第二结合口袋（SBP）（图2）。突变数据和结构分析显示PARP和SBP均介导TAAR1的激活，揭示了TAAR1不同于嗅觉TAAR的配体结合域。
3
对Gs/Gq信号通路很关键的口袋残基
与Gq特异性激动剂CHA相比，两种Gs选择性激动剂SEP和PEA与TAAR1的特定氨基酸之间形成了额外的相互作用，包括S1063.36、Y1534.56、P183ECL2和Y2917.43。重要的是，这些残基的突变会大大影响SEP和PEA的Gs活性。因此，研究人员推测激动剂与PARP中S1063.36-Y2917.43以及与SBP中Y1534.56-P183ECL2的相互作用可能有助于Gs的特异性激活。
同时，他们还发现I1033.33A、F185ECL2A或F2656.52A的突变会削弱PEA、SEP或CHA激活时mTAAR1下游的Gs和Gq活性。因此，Gs/Gq双效激动剂的设计可能需要利用这三个关键位点。此外，他们还比较了mTAAR1-Gs/Gq复合物在结构上的差异，为后续双重激动剂的开发提供了信息。
4
通过虚拟筛选发现TAAR1的小分子激动剂
研究人员接着在mTAAR1配体结合口袋中开展了基于结构的多级虚拟筛选，以鉴定小分子激动剂。他们设计了“区域接触划分”策略，以S1063.36和Y2917.43作为必需接触残基，并选择与I1033.33、F185ECL2或F2656.52相互作用，以此来开发具有Gs和Gq活性的mTAAR1激动剂。通过虚拟筛选和生化分析，他们发现了TAAR1的Gs偶联激动剂ZH8667、Gq偶联激动剂ZH8659以及Gs/Gq双重激动剂ZH8651（图3）。ZH8651能够激活mTAAR1和hTAAR1的Gs/Gq信号通路，亲和力均在nM级别。
之后，他们在MK-801诱导的小鼠模型上评估了激动剂ZH8659和ZH8651的效果。他们发现，SEP的单独给药会显著抑制小鼠的基础运动，相比之下，ZH8659或ZH8651不会引起基础活动减少，表明服用高剂量的ZH8659或ZH8651是安全的。单次口服ZH8659或ZH8651可显著改善MK-801诱导的小鼠精神分裂样症状。而在Taar1-/-小鼠中，ZH8659和ZH8651对精神分裂症的有益作用大大减弱。
研究结论
总的来说，这项研究系统分析了小鼠和人类TAAR1在不同胺类代谢物或临床药物作用下的G蛋白亚型激活特征。结构分析揭示了共同的胺类识别结合口袋PARP和第二结合口袋SBP。同时，研究人员还采用基于结构的虚拟筛选和候选化合物设计，开发出一种有效的TAAR1双重激动剂ZH8651，在MK-801诱导的精神分裂症样小鼠模型中表现出治疗潜力。
原文检索：
[1]Shang, P., Rong, N., Jiang, J.J., Cheng, J., Zhang, M.H., et al. Structural and signaling mechanisms of TAAR1 enabled preferential agonist design. Cell. 2023 Nov 22; 186(24): 5347-5362.e24. https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.10.014
赛业小鼠模型构建
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TAAR1 KO小鼠
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品系名称：
C57BL/6J-Taar1em1C/Cya
产品编号：
S-KO-00801
应用方向：
神经系统,癌症,眼科,骨骼,代谢,内分泌,肾脏
TAAR1 flox小鼠
小鼠福利，限定发放中~
品系名称：
C57BL/6J-Taar1em1Cflox/Cya
产品编号：
S-CKO-00917
应用方向：
神经系统,癌症,眼科,骨骼,代谢,内分泌,肾脏