基于结构导向的蛇毒毒素工程化改造实现肾上腺素能受体(ARs)和毒蕈碱型乙酰胆碱受体(mAChRs)亚型选择性调控

本研究针对GPCRs（G蛋白偶联受体）亚型选择性药物开发难题，通过解析蛇毒毒素MT3与α1A、α2A和M4AChR的复合物结构，结合计算设计与定向进化技术，成功开发出α2A和M4AChR亚型特异性拮抗剂。该成果为神经精神疾病和心血管疾病的精准治疗提供了新型工具化合物，凸显了结构生物学在药物研发中的关键作用。

　　

在神经信号传导和生理功能调控中，G蛋白偶联受体(GPCRs)家族扮演着核心角色。其中，肾上腺素能受体(ARs)和毒蕈碱型乙酰胆碱受体(mAChRs)作为两类重要GPCRs，分别调控着心血管功能和认知过程。然而，由于这些受体亚型间高达70-80%的序列相似性，开发亚型选择性药物始终是药理学领域的重大挑战。以帕金森病治疗为例，虽然M₄AChR激活能改善运动症状，但传统药物会同时作用于心脏M₂AChR导致心律失常风险。这种"脱靶效应"的根源在于现有小分子药物难以区分高度保守的受体结合口袋。

中国科学技术大学的研究团队另辟蹊径，将目光投向自然界经过百万年进化的精密武器——蛇毒毒素。这类蛋白质配体因其更大的结合界面，能够触及受体表面相对多变的区域。特别是来自绿曼巴蛇毒的muscarinic toxin 3(MT3)，展现出罕见的"跨界"结合能力，可同时拮抗α_1A、α_2A和M₄AChR。这项发表于《Nature Communications》的研究，首次揭示了MT3的多受体识别机制，并成功将其改造为亚型特异性调控工具。

研究团队运用了多项关键技术：冷冻电镜解析了MT3与三种受体的复合物结构（分辨率3.2-3.6?）；采用RFdiffusion算法进行部分扩散设计优化毒素序列；建立酵母展示平台结合流式分选实现定向进化；通过NanoBiT-G蛋白解离实验验证功能活性。

结构基础揭示独特拮抗机制
冷冻电镜结构显示，MT3以"直立"构象插入受体胞外区，其第二指环（Finger loop 2）的R³⁴残基部分占据正构位点，这种"半占据"模式解释了其不可逆拮抗特性。与变构调节剂MT7不同，MT3的结合引起ECL2和TM7向外位移2-3?，但受体胞内区保持非活性构象。

差异界面指导理性设计
尽管MT3采用相似的三指环结合策略，但不同受体间的结合微环境存在显著差异。例如，包裹P³³的疏水残基在M₄AChR中是Y^2.61/Y^2.64，而在α_2A中变为S^2.61/N^2.64。ECL2的PDNQ基序被证实是M₄AChR特异性识别的关键决定簇。

工程化改造实现亚型选择
通过聚焦第二、三指环的29/30/36/37和52/54位点，研究团队获得两个突破性成果：

1. α_2A特异性变体A2S5（H²⁹S/Y³⁰H/T³⁶V/Y⁵²G/S⁵⁴R），其拮抗活性（IC₅₀=5 nM）较母体提高2倍；
2. M₄AChR选择性拮抗剂M4S3，在保持纳摩尔级亲和力（EC₅₀=14.4 nM）的同时，完全消除对其它mAChRs的结合。

这项研究的意义不仅在于提供了α_2A和M₄AChR研究的特异性工具，更开创了"毒素重编程"的新范式。通过揭示自然界交叉反应性毒素的识别密码，研究者证明只需精准改造有限残基即可实现GPCR亚型选择性的"从有到优"。这种策略克服了传统药物设计中"正构位点保守性"的桎梏，为抑郁症、帕金森病等疾病的精准治疗开辟了新途径。未来，该平台技术有望扩展至更多GPCR靶点，加速神经精神领域特效药物的开发。