甲基苯丙胺（Methamphetamine，简称METH，冰毒的主要成分）被滥用时，会对人类健康和社会秩序产生严重危害，目前尚无可用于治疗METH成瘾的上市药物。METH成瘾主要通过调控多巴胺释放和再摄取产生作用，这一机制已得到广泛认可。
最新研究表明，METH可以直接与痕量胺相关受体1（Trace Amine-Associated Receptor 1，简称TAAR1）结合，并激活受体下游的G蛋白信号通路，这可能是METH在体内进行信号转导的关键节点。此外，TAAR1被认为在调节METH和其他胺类分子（如内源性苯乙胺）以及精神分裂症等临床候选药物分子的神经生物效应中发挥关键作用。因此，通过结构生物学研究手段深入探究METH以及其他胺类分子与TAAR1之间的相互作用机制，将有望为治疗药物成瘾和研发新型抗精神类药物提供重要的推动力。
2023年11月7日，上海科技大学iHuman研究所、生命科学与技术学院徐菲课题组联合中国科学院上海药物研究所徐华强课题组、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心汪胜团队和上海市刑事科学技术研究院刘文斌团队，在国际学术期刊《自然》（Nature）上以“文章加速预览（Accelerated Article Preview，AAP）”形式在线发表了题为“Recognition of methamphetamine and other amines by trace amine receptor TAAR1”的最新研究成果。
TAAR1是一种G蛋白偶联受体，主要分布在大脑中，能够识别多种生物胺类物质，包括内源物质β-苯乙胺（β-PEA），并参与神经递质的调节。与其他痕量胺受体不同，TAAR1主要分布在大脑的单胺能核团及其投射区，例如多巴胺能神经元胞体所在的腹侧被盖区和黑质致密部、5-羟色胺能神经元胞体所在的中缝核、以及它们的靶区如伏隔核和杏仁核等脑区。这与TAAR1在调节奖赏、认知和情感等方面的关键作用高度一致。因此，TAAR1的独特生理功能与多种精神疾病密切相关。大量研究表明TAAR1激动剂对治疗精神分裂症、抑郁症和药物成瘾具有潜力。
在该项研究中，研究人员利用冷冻电镜技术首次确定了人源TAAR1-Gₛ蛋白复合物分别被METH、内源配体β-PEA，以及选择性激动剂RO5256390和临床候选药物SEP-363856激活后的高分辨率结构（图1）。结构分析发现METH定位在TAAR1的正构结合口袋中，主要通过与第103位的天冬氨酸和第294位的酪氨酸形成的极性相互作用来特异性地与TAAR1结合（图2a-b）。此外，配体结合口袋及其周围氨基酸所形成的氢键网络有助于稳定配体与TAAR1的相互作用（图2b-c）。TAAR1中的第二个胞外环形成独特的“盖子”结构，利用特异性较高的第186位苯丙氨酸以及其他疏水氨基酸，直接或间接地参与配体的相互作用，形成了TAAR1特有的分子识别机制（图2a）。与内源配体β-PEA相比，METH与关键残基第103位的天冬氨酸和第107位的丝氨酸的极性相互作用较弱，导致其与TAAR1的亲和力下降，这可能是β-PEA比METH更高效结合TAAR1的结构基础（图2d）。分子动力学模拟以及系统的突变与功能实验验证了上述结论。
图1：四种 TAAR1 激动剂激活 TAAR1 的功能评估及 TAAR1-Gs，5HT1A-Gi复合物的整体结构。（a）四种TAAR1激动剂的结构式；（b）四种配体激活TAAR1的功能评估；（c-d）TAAR1-Gs，5HT1A-Gi复合物的整体结构密度图。
此外，本研究还解析了其他具有临床研究潜力的药物分别激活TAAR1的复合物结构，如双靶点胺类化合物SEP-363856（临床候选药物，又名Ulotaront）和TAAR1选择性激动剂RO5256390，揭示了这两个化合物分别在多重药理学和选择性作用中的分子机制（图1）。SEP-363856对TAAR1和5-HT1A受体均具有激动剂活性，但对TAAR1的激活效能更高。结构比对分析发现，尽管两者的结合口袋存在一定的相似性，但TAAR1特有的极性相互作用网络有助于增强SEP-363856的亲和力（图2e）。RO5256390对TAAR1的高亲和力和高度选择性的分子机制在于其2-胺基噁唑基团与TAAR1结合口袋的氨基酸残基形成额外的相互作用，而在5-HT1A受体的结合口袋中则会引起空间位阻（图2f）。这些发现为精准设计新型药物提供了理论基础。
图2：TAAR1复合物的结构分析和功能验证。（a）METH定位于TAAR1中配体结合口袋的正构位点；（b-c）TAAR1结构中的氢键网络（b）及其功能验证（c）；（d）METH和β-PEA在TAAR1结合口袋中的相互作用差异(e)SEP-363856激活TAAR1和5HT1A受体的相互作用比较；（f）结构比对表明RO5256390在5-HT1A受体的结合口袋中会引起空间位阻，因而难以激活5-HT1A受体。
这项研究成果是METH研究领域的一个里程碑，有望开辟一个超越经典神经递质（如5-羟色胺和多巴胺）的生物胺研究新领域。这项研究系统性地揭示了METH和其他胺类化合物与TAAR1相互作用的关键结构要素，为治疗药物成瘾和神经精神疾病的新药研发提供了坚实的理论基础。同时，TAAR1作为单胺类系统的最后一个未解析结构的受体，该研究填补了现有胺能受体结构领域的空白，对于理解单胺类系统的药理学具有重要意义，有望推动新一代更安全高效药物的开发。
中国科学院上海药物研究所刘恒博士、王悦博士、上海科技大学生命科学与技术学院2023届博士毕业生郑优、分子细胞科学卓越创新中心博士研究生王雨朦为该论文的共同第一作者。徐菲、徐华强、汪胜、刘文斌为共同通讯作者。本研究中的冷冻电镜数据由中国科学院上海药物研究所高峰电镜中心和上海科技大学生物电镜平台收集。
全文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06775-1
展示TAAR1受体识别成瘾药物METH分子的结构基础的科学插画。由Julie Liu创作。
