新型丙烯酰胺类化合物调控α7烟碱型乙酰胆碱受体的变构机制研究

本研究针对α7 nAChR变构调节剂开发的需求，通过电生理记录和分子对接技术，系统评价了新型丙烯酰胺类化合物DM和ERR系列对α7和α3β4 nAChR的调控活性。研究发现DM497和ERR91具有正变构调节(PAM)活性，而DM490和ERR6则表现为负变构调节(NAM)活性，并揭示了其作用不依赖于电压且不与正构位点竞争。分子模拟进一步鉴定了与PAM/NAM活性相关的独特亚基间和亚基内结合位点。该研究为开发选择性α7 nAChR调节剂以治疗相关神经系统疾病提供了新的结构基础和理论依据。

　　

烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs）是介导快速兴奋性突触传递的五聚体配体门控离子通道家族成员，其中α7亚型因其在认知、记忆、注意力和疼痛处理等生理过程中的关键作用而备受关注。α7 nAChR功能异常与多种神经精神疾病密切相关，包括精神分裂症、阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症、焦虑症、慢性疼痛和成瘾等。因此，靶向α7 nAChR的药物研发成为治疗这些疾病的重要策略。与直接激动剂相比，正变构调节剂（PAM）能够选择性增强内源性乙酰胆碱（ACh）或胆碱的效应，避免受体过度脱敏，具有更好的安全性和应用前景。然而，目前报道的许多α7-PAMs（如PNU-120596）虽然效力强，但可能引起兴奋性毒性，限制了其临床转化。同时，负变构调节剂（NAMs）在调节受体过度活跃相关疾病（如某些焦虑障碍）中也显示出治疗潜力。因此，开发具有适宜效力和安全性、作用机制明确的新型α7 nAChR变构调节剂是当前研究的热点和难点。

在此背景下，发表于《Biochemical Pharmacology》的研究论文《Han-Shen Tae, Marcelo O. Ortells, Katarzyna M. Targowska-Duda, Dina Manetti, Maria N. Romanelli, David J. Adams, Hugo R. Arias》系统研究了一系列新型丙烯酰胺类化合物对α7 nAChR的变构调节作用。研究人员旨在阐明这些化合物的构效关系，并深入探索其发挥PAM或NAM活性的结构基础和分子机制，为理性设计新型α7 nAChR调节剂提供理论指导。

为达成研究目标，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：1）化合物合成与表征：合成了DM和ERR系列丙烯酰胺类化合物，并通过核磁共振氢谱/碳谱（¹H/¹³C NMR）和质谱（LC/MS）进行结构确证。2）电生理功能评价：利用非洲爪蟾卵母细胞异源表达大鼠α7和α3β4 nAChR，通过双电极电压钳技术记录化合物对ACh诱发电流的振幅和净电荷的影响，评估其PAM或NAM活性、浓度依赖性和电压依赖性。3）计算化学模拟：基于人源α7 nAChR晶体结构构建大鼠α7 nAChR同源模型，通过分子对接和分子动力学模拟预测化合物可能的结合位点，并分析其与受体的相互作用。

3.1. 新型丙烯酰胺类化合物对大鼠α7 nAChR的药理学表征

研究人员首先评估了所有DM和ERR化合物在低浓度ACh（30 μM，约EC₂₀）条件下对大鼠α7 nAChR电流的调节作用。结果表明，DM497和ERR91表现出PAM活性，能显著增强ACh诱发的电流，其EC₅₀值分别为86 μM和38 μM。相反，DM490、DM492、DM495、DM480以及ERR6、ERR4、ERR17、ERR7、ERR10则表现出NAM活性，其中DM490和ERR6的抑制效力最强，IC₅₀值分别为15 μM和17 μM。净电荷分析结果与电流振幅分析一致，表明这些化合物的调节作用不改变受体的脱敏过程。

3.2. 新型丙烯酰胺类化合物在rα7 nAChR的结构-活性关系

通过分析化合物的分子描述符（如LogP、极性表面积等）和化学结构，研究发现丙烯酸双键的存在对ERR91和PAM-2的PAM活性至关重要，而ERR10因缺乏此结构则表现为NAM。芳环上取代基的电子效应和空间体积也显著影响活性，例如ERR1和ERR3的4-位卤素原子（吸电子）导致其失活，而PAM-2和DM490的4-甲基（给电子）则有利于活性。

3.3. DM497和DM490不与α7 nAChR正构位点相互作用

为验证变构机制，研究人员考察了ACh浓度对DM497和DM490活性的影响。结果显示，DM497在低ACh浓度（30 μM）下表现为PAM，但在高ACh浓度（100 μM和300 μM）下则转变为NAM，且抑制效力随ACh浓度增加而增强。相反，DM490的抑制活性在所有测试ACh浓度下均存在，且其IC₅₀在高ACh浓度下显著降低。这些现象与竞争性拮抗机制不符，支持了其变构作用模式。此外，DM497仅在低ACh浓度下延长了电流衰减时间（τ），表明其PAM效应与延缓受体脱敏有关，而DM490对τ无影响，排除了其通过促进脱敏发挥作用的可能。

3.4. DM497和DM490在rα7 nAChRs上的竞争性相互作用

竞争结合实验进一步证实了DM497和DM490作用于不同位点。当固定DM497浓度时，DM490的IC₅₀值降低；然而，固定DM490浓度时，DM497的EC₅₀值保持不变。这表明两种化合物不竞争同一结合位点，各自通过独特的变构位点发挥作用。

3.5. DM497和DM490在rα7 nAChRs上活性的电压不依赖性

在不同膜电位（-40 mV至-120 mV）下测试DM497和DM490的活性，发现其PAM或NAM效应均不随膜电位变化而改变。这一结果排除了化合物直接阻塞离子通道孔道的可能性，进一步支持其变构调节机制。

3.6. DM497和DM490在α3β4 nAChRs上的药理学活性

研究还评估了DM497和DM490对α3β4 nAChR亚型的影响。两者均浓度依赖性地抑制ACh（100 μM）诱发的电流，IC₅₀值分别为242 μM和29 μM，表明DM490对α7 nAChR的选择性高于α3β4 nAChR。

3.7. PAM-4、DM497和DM490在大鼠α7 nAChR模型中的分子对接和分子动力学

分子对接和分子动力学模拟揭示了化合物与α7 nAChR相互作用的精细画面。研究鉴定了五个不同的变构结合位点：两个与PAM活性相关，三个与NAM活性相关。

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  PAM位点：DM497的结合位点位于α7c(+)/α7d(─)亚基间的ECD-TMD（胞外域-跨膜域）界面，该位点与已知PAM PNU-120596的位点部分重叠。PAM-4则结合于α7a(+)/α7b(─)和α7e(+)/α7a(─)等TMD界面的同源位点。
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  NAM位点：DM490主要结合于α7e亚基内的TMD区域（α7e位点），以及α7d和α7e亚基内的ECD-TMD界面同源位点（α7d位点）。此外，DM497在较高浓度下还可结合于α7a(+)/α7b(─)等TMD-CYD（跨膜域-胞质域）界面的同源位点，这可能解释了其在高ACh浓度下的NAM活性。与其他已知NAMs（如DB08122、soclenicant、SB-277011-A）的比对显示，这些位点具有多样性和独特性。

综上所述，本研究通过综合运用药理学和计算生物学方法，深入揭示了一系列新型丙烯酰胺类化合物对大鼠α7 nAChR的变构调节作用及其结构基础。研究明确了DM497和ERR91作为α7-PAMs，而DM490和ERR6作为α7-NAMs的活性特征，并证实其作用机制为变构调节，不与正构位点竞争且不依赖电压。尤为重要的是，分子模拟首次系统鉴定了与PAM活性相关的亚基间结合位点和与NAM活性相关的亚基内结合位点，提出了“PAM与NAM活性的决定可能依赖于选择性结合亚基间 versus 亚基内位点”的创新性假说。这些发现不仅深化了对α7 nAChR变构调节机制的理解，而且为基于结构的合理药物设计提供了关键靶点和理论依据，对开发治疗神经精神疾病和慢性疼痛等的新型选择性α7 nAChR调节剂具有重要的指导意义。