解析 5 - 羟色胺 2A 受体（5-HT2AR）与迷幻药物作用的结构多样性：解锁精神疾病治疗新密码

当前，经典迷幻药用于治疗抑郁、成瘾等神经精神疾病的研究兴起，但其作用机制不明。为探究此，研究人员对 5-HT2A受体开展研究，获得 7 个冷冻电镜（cryo-EM）结构，揭示了配体与受体的相互作用机制，有助于开发新型精神疾病药物。

　　近年来，经典迷幻药在治疗神经精神疾病方面展现出潜力，如 “魔法蘑菇” 中的活性成分裸盖菇素（psilocybin）在治疗抑郁症和焦虑症的临床试验中表现出色，麦角酸二乙酰胺（LSD）、N,N - 二甲基色胺（DMT）和三甲氧苯乙胺（mescaline）等也对治疗耐药性抑郁症、酒精和药物滥用等疾病有潜在效果。然而，这些迷幻药发挥作用的具体机制却尚不明确。尽管已知它们都是 5 - 羟色胺 2A 受体（5-HT_2AR）的激动剂，且在许多生物胺受体上有相互作用，但关于产生迷幻效果和治疗效果的分子机制存在多种假说，并且缺乏对其与受体分子相互作用的基本理解。

为了解开这些谜团，来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校医学院药理学系、北卡罗来纳大学埃谢尔曼药学院化学生物学和药物化学系等多个研究机构的研究人员开展了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为迷幻药作用机制及新型精神疾病药物的开发提供了关键线索。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先是冷冻电镜技术（cryo-EM），通过该技术获得了 5-HT_2AR 与不同配体结合的结构。同时运用了生物化学和药理学方法，如定点突变和功能测定，来验证结构模型和探究关键相互作用残基。还使用了基于生物发光共振能量转移（BRET）的实验，包括 TRUPATH（BRET2）测定、β-arrestin 募集测定（BRET1）和 Nb6 解离测定，用于研究受体的激活、信号转导和构象变化。

结构解析揭示迷幻药相互作用

研究人员测定了 7 个与不同激动剂结合的 5-HT_2AR 的冷冻电镜结构，涵盖了已知的迷幻药化学类型、非迷幻类似物以及一种 β-arrestin 2（β-arr2）偏向性激动剂。这些结构的分辨率良好，通过全局重建和局部重建获得了受体与配体结合的详细信息，并且利用 Gemspot 管道验证了配体的位置。尽管 5-HT_2AR 识别的化学空间广泛，但不同化学类型的配体在受体水平上存在显著的全局结构同源性。

色胺结构代表标准正构构象

在正构位点，所有配体都与预测的受体接触，并位于由 D155^3.32、F339^6.51和 F340^6.52定义的口袋内，这验证了先前的生化数据和计算模型。研究发现，裸盖菇素与 G 蛋白偶联状态的相互作用不同于其他研究小组的提议。通过比较不同 5-HT 受体结构，发现色胺亚结构在正构口袋中的位置相似，表明功能活性形式的色胺位于已验证的正构位点，而非最近假设的扩展结合口袋。研究人员还通过定点突变和功能测定，量化了色胺在正构口袋内关键相互作用残基的差异。5-HT、裸盖菇素和 DMT 都与 D155^3.32和灵长类特异性残基 S242 形成离子相互作用，但它们的吲哚环位置存在细微差异，这种差异影响了与其他残基的相互作用，如 5-HT 的羟基与 N343^6.55的氢键相互作用，而裸盖菇素则不同。

麦角灵结构揭示 5-HT_2AR 选择性机制

LSD 的类似物 BOL 被报道在人体中无致幻作用，研究发现它实际上是一种强效的 5-HT_2AR G 蛋白偏向性部分激动剂。在正构口袋内，BOL 和 LSD 都与 D^3.32和 S5.46 形成氢键接触。BOL 与 LSD 仅相差一个溴原子，其溴原子与 I163^3.40和 F340^6.52形成范德华接触，这可能阻碍受体激活，导致弱部分激动作用。通过比较不同受体与 LSD 结合的结构，发现 BOL 在 5-HT_2B受体上可能作为拮抗剂，通过突变实验验证了这一假设，为设计基于麦角灵的 5-HT_2A选择性激动剂提供了思路。

三甲氧苯乙胺与 ECL2 相互作用

三甲氧苯乙胺和 RS130 - 180 具有相似的结合模式，它们都与 D^3.32接触，三甲氧苯乙胺还与螺旋 5 上的 S^5.46接触。三甲氧苯乙胺通过其 3’ - 位甲氧基与细胞外环 2（ECL2）上的 L229 形成疏水相互作用，这一相互作用与 LSD 在受体上的长时间停留有关。研究发现，L229A 突变使三甲氧苯乙胺从激动剂转变为反向激动剂，F234A 突变影响了受体的激活，表明这些残基在信号传递中起重要作用。利用 5-HT_2A?KOR 嵌合受体和纳米抗体 6（Nb6）对，研究发现三甲氧苯乙胺与 L229 的相互作用对其构象转变动力学影响不大，但 ECL2 盖子的关闭对其与 L229 的相互作用至关重要。

β - arrestin 偏向性 5-HT_2A激动剂稳定非标准状态

研究人员研究了 β - arrestin - 2 偏向性的 N - 苄基苯乙胺 RS130 - 180 的结合模式。RS130 - 180 直接与 W^6.48相互作用，由于空间位阻，W^6.48采取向下的独特位置，导致 F332^6.44向内旋转，Y380^7.53向外移动，使 TM7 处于非活性状态构象，形成非标准（NC）状态。这种状态有利于 arrestin 信号传导，解释了该配体的偏向性。

不同配体稳定的构象转变

综合分析结构数据，研究人员发现不同配体与受体的相互作用存在差异。所有配体都与 D^3.32接触，5-HT 是唯一与 N^6.55接触的配体，S5.46 与除 25CN - NBOH 和 RS130 - 180 外的所有配体相互作用。不同配体在激活受体时，会稳定不同的构象集合，通过 BRET 实验和结构灵活性分析发现，不同配体的信号传导存在差异，导致受体的构象变化不同。

研究人员通过冷冻电镜技术和多种生化实验，深入研究了迷幻药与 5-HT_2AR 的相互作用机制，揭示了不同化学类型配体与受体的结合模式、关键相互作用残基以及配体激活受体后的构象变化。这些发现为理解 5-HT_2AR 的激活机制提供了重要依据，有助于开发具有潜在治疗效用且副作用更少的新型化学类型药物，推动了精神疾病治疗药物的发展。同时，研究结果也为进一步研究迷幻药的作用机制和临床应用奠定了基础，为解决神经精神疾病治疗难题带来了新的希望。