精神分裂症创新小分子登《细胞》 | 专家点评

2023-11-17

临床结果临床3期

▎药明康德内容团队编辑单胺类分子比如多巴胺、5-羟色胺、肾上腺素等，是哺乳动物中枢神经系统中重要的神经递质，他们参与多种行为的调节和神经生理功能的调控，如奖赏、情绪调节、运动控制等，单胺环路功能异常则与抑郁症、帕金森病、精神分裂症等多种神经精神疾病密切相关。感知这些单胺类神经递质的G蛋白偶联受体（G Protein-Coupled Receptor，GPCR），如多巴胺受体、肾上腺素能受体，是多种神经元活动的枢纽，也是重要的临床药物靶点，与这些胺类受体相关的研究已经多次获得诺贝尔奖。除了上述这些被大家熟知的生物胺类神经递质以外，大脑内还存在一类内源性的胺类分子，其浓度非常低，因此被称为“痕量胺”。痕量胺分子包括苯乙胺（PEA）、色胺、酪胺等，是大脑内氨基酸的代谢产物。▲痕量胺分子和本研究使用的胺类化合物及其化学结构式（图片来源：孙金鹏课题组）2001年的一项研究发现痕量胺能够特异性激活一类受体，这些受体被命名为痕量胺相关受体（Trace Amine-Associated Receptor，TAAR）。TAAR家族在哺乳动物中可以分为两个进化枝：Clade I（包括TAAR1-4）和Clade II（包括TAAR5-9）。其中除TAAR1以外，其余TAAR家族成员均在嗅上皮组织中高表达，属于一类嗅觉受体亚家族，称为嗅觉TAAR，能够识别环境中挥发性胺类气味分子，介导动物本能的嗅觉相关行为。然而与嗅觉TAAR不同，TAAR1主要表达在大脑的单胺能神经核团，包括腹侧被盖区、中缝核和杏仁核等，可以识别大脑内的痕量胺分子，并调节单胺能神经元如多巴胺能和5-羟色胺能神经元的兴奋性及单胺类神经递质释放，因此也被称为非嗅觉TAAR。TAAR1能够被多种痕量胺激活，并且与药物成瘾、注意力缺陷多动症、精神分裂症等多种精神疾病相关，2020年《新英格兰医学杂志》报道了一种靶向TAAR1的小分子药物SEP-363856（又名Ulotaront），不依赖多巴胺受体，可以避免严重不良反应，该药物已进入临床3期试验，这为开发精神分裂症的新型治疗方法提供了线索。尽管靶向TAAR1开发药物具有巨大的治疗潜力，但TAAR1分子识别和信号多样性的机制和药理学基础尚未得到系统研究。孙金鹏教授团队和李乾研究员团队长期关注嗅觉受体及TAAR家族功能研究，于2023年5月24日在《自然》（Nature）合作发表研究论文，聚焦嗅觉受体感知机制，阐明了TAAR9感知气味的分子机制及其独特的激活方式。然而，作为非嗅觉TAAR的TAAR1具有独特的配体谱，提示TAAR1的配体识别和激活机制不同于嗅觉TAAR。相关阅读：《自然》：孙金鹏/李乾团队揭示嗅觉感知的分子机制 | 专家点评能否基于TAAR1的配体结合域开发出亲和力更高、副作用更小的新化合物，从而为精神分裂症或药物成瘾治疗提供新的候选药物呢？日前，山东大学孙金鹏教授团队、杨帆教授团队，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在《细胞》（Cell）在线发表了研究论文“Structural and signaling mechanisms of TAAR1 enabled preferential agonist design”。研究团队系统地分析了不同内源性胺类和SEP-363856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通路的分子机制和药理学特征，进而成功开发出同时具有Gs和Gq双激活活性的TAAR1小分子激动剂ZH8651，并在小鼠模型中验证了其改善精神分裂的作用。该研究为靶向TAAR1治疗精神分裂症的候选化合物设计及药物开发改造提供了重要参考。▲文章简要示意图（图片来源：参考资料[1]）该研究主要发现包括：1、明确了多种内源性胺类代谢物（endogenous amine-containing metabolites，EAM）激活TAAR1下游信号的通路多样性及其在精神分裂症中的作用。研究团队首先系统地检测了多种内源性胺类物质及SEP-363856对人源TAAR1（hTAAR1）和小鼠TAAR1（mTAAR1）不同G蛋白亚型的激活情况，结果表明SEP-363856（简称SEP）和PEA能够激活m/hTAAR1的Gs信号通路，三甲胺（TMA）能够激活Gs、Gq、Gi三条信号通路，环己胺（CHA）激活Gq信号通路。有意思的是，研究发现在动物实验中，不仅SEP能够缓解MK-801诱导的精神分裂样症状，激活Gq信号通路的CHA也能够缓解该症状。在分别应用Taar1-/-小鼠和Gq抑制剂后，CHA对精神分裂的缓解作用明显减弱。这提示TAAR1介导的Gq信号通路在MK801诱导的精神分裂症中发挥有益作用，因此开发靶向TAAR1的Gs/Gq双激动剂可能具有更好的应用效果。▲TAAR1不同G蛋白信号通路激动剂对精神分裂样症状的作用（图片来源：参考资料[1]）2、解析了EAM和临床3期药物SEP激活m/hTAAR1-Gs/Gq的分子机制。基于以上在动物实验中的发现，研究团队解析了SEP-TAAR1-Gs、CHA-TAAR1-Gq、TMA-TAAR1-Gs、PEA-TAAR1-Gs等多个复合物的配体识别机制，发现了胺类识别的结合口袋（primary amine recognition pocket，PARP）。在PARP内部，保守的D1023.32 TMA、CHA、PEA、SEP的氨基基团形成氢键。Y2917.43与D1023.32共同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，从而诱导TAAR1激活。此外，与仅占据PARP的TMA相比，CHA、PEA和SEP激动剂中存在额外的环状结构，显示出第二结合口袋（second binding pocket，SBP），结构分析和突变数据提示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，同时也提示PARP和SBP是设计TAAR1高效力激动剂的潜在靶标。▲TAAR1的配体识别口袋（图片来源：参考资料[1]）3、阐明了TAAR1偶联Gs和Gq两种不同信号通路的关键氨基酸和信号传递途径。基于对TAAR1不同G蛋白信号转导机制的分析，研究团队进一步找到了激活Gs和Gq通路的关键氨基酸位点。与Gq选择性激动剂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。因此，研究团队在后续小分子的筛选工作中，将S1063.36和Y2917.43作为Gs选择性激动剂的筛选位点，而I1033.33、F185ECL2和F2656.52作为Gs/Gq双效激动剂的关键筛选位点。与此同时，研究团队详细解释了Gs和Gq信号传递途径的差异，为后续双效激动剂的开发提供了有利信息。▲基于结构开发TAAR1激动剂的流程图（图片来源：参考资料[1]）4、开发了靶向TAAR1的Gs偶联、Gq偶联以及Gs/Gq双偶联的高亲和力激动剂，并验证了其缓解精神分裂症的作用。基于上述鉴定出的TAAR1配体结合域以及偶联Gs和Gq通路的关键氨基酸，研究团队进行了小分子设计及化合物库的建立，设计了“区域接触划分”策略，通过虚拟筛选和细胞生化实验验证，研究团队得到了TAAR1的Gs偶联激动剂ZH8667、Gq偶联激动剂ZH8659、Gs/Gq双偶联激动剂ZH8651。ZH8651能够激活mTAAR1和hTAAR1的Gs、Gq信号通路，亲和力均在nM级别。以SEP作为对照，单次应用ZH8659和ZH8651剂量依赖性地改善MK-801诱导的小鼠精神分裂样症状，其效果与临床3期药物SEP相似。在Taar1-/-小鼠中，ZH8659和ZH8651对精神分裂症的改善作用大大减弱。值得注意的是，单独给药SEP（3 mg/kg）对基础运动有明显的抑制作用，提示SEP可能具有导致自发活动减少的潜在副作用。相比之下，ZH8659或ZH8651没有引起基础活动减少，显示其亲和力高副作用低的优势。 ▲ZH8659和ZH8651对精神分裂样症状的改善作用（图片来源：参考资料[1]）总之，该研究应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双激动剂，在MK-801诱导的精神分裂症样小鼠模型中表现出治疗潜力，为靶向TAAR1开发抗精神疾病药物先导化合物提供了线索。山东大学基础医学院研究生尚攀、荣乃康、讲师姜晶晶、高等医学研究院特别资助类博士后程杰、齐鲁医院研究生张鸣晖、药学院教授康东伟、生物医学结构表征中心主任齐磊为本文的共同第一作者。山东大学孙金鹏教授、杨帆教授、四川大学邵振华研究员、上海交通大学医学院李乾研究员、山东第一医科大学王越研究员为本文共同通讯作者。该研究得到了国家卫健委耳鼻咽喉科学重点实验室的大力支持。孙金鹏团队与耳鼻喉重点实验室雷大鹏团队、冯昕团队、山东省立医院夏明团队开展长期合作，致力于嗅觉感知、耳鼻咽喉及头颈外科疾病的基础-临床转化。该研究得到了国家重点研发计划、国家杰青、优青等项目的资助。专家点评裴钢（中国科学院院士）精神分裂症是一类临床常见但病因未明的严重精神疾病。病程多迁延，反复发作恶化会导致精神残疾。目前常用的治疗精神分裂药物如氯丙嗪和奋乃静等主要是作用于中枢系统中的多巴胺受体，多存在锥体外系不良反应和迟发性运动障碍等副作用。通过对非多巴胺受体的动物模型实验筛选，2020年《新英格兰医学杂志》报道了一项靶向痕量胺受体1（TAAR1）而非多巴胺受体D2的小分子SEP-363856在精神分裂症患者中安全性和有效性的关键性研究。结果显示，相较于安慰剂组，SEP-363856表现出显著改善作用。目前该小分子已获美国FDA授予治疗精神分裂症的突破性药物资格，这使得TAAR1成为非多巴胺受体抗精神疾病的重要潜在靶点，为研发新一代抗精神分裂症药物揭开了序幕。山东大学孙金鹏团队聚焦于TAAR1，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在Cell在线发表了研究论文“Structural and signaling mechanisms of TAAR1 enabled preferential agonist design”。本研究系统分析了内源性胺类对TAAR1下游G蛋白信号通路的激活情况及其在MK-801诱导的精神分裂症小鼠模型中的作用，发现除了TAAR1的Gs通路外，激活下游Gq信号通路也能够缓解MK801诱导的精神分裂样症状。研究团队解析了TAAR1识别不同内源性配体并产生多种信号通路的分子机制，成功开发出了靶向TAAR1下游Gs和Gq双通路的高亲和力小分子化合物。该小分子在小鼠模型中对精神分裂样症状具有更好的改善作用，以及避免了锥体外系反应和自发活动减少等潜在副作用。该研究不仅给我们带来了一种抗精神病药物开发的新的策略，也是通过结构生物学和分子药理学紧密结合的基础研究来指导药物开发的一个很好的范例。王立平（中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所，深港脑科学创新研究院研究员）精神类疾病在全球范围内具有发病率高、难以治愈、医疗负担重等特点。全球现有精神心理问题患者超过4亿，约每20个人就有一个存在精神心理问题，而中国精神疾病的发病率已达17%。精神类疾病的种类繁多，包括情感障碍（如抑郁症）、焦虑障碍（如恐惧症）、精神分裂症等。其中，精神分裂症是一种严重的精神障碍，涉及感知觉、思维、情感和行为等多方面的障碍以及精神活动的不协调等，目前临床上以对症治疗为主。典型的药物包括氯丙嗪、氟哌啶等多巴胺D2受体拮抗剂，尽管这类药物对于控制精神分裂阳性症状效果明显，但其也能与毒蕈碱M1受体、肾上腺素受体及组胺H1受体结合，因其作用的靶点较多，导致患者常会出现过度镇静、心动过速、心血管反应及直立性低血压等副反应，对多个脏器都有较大的影响。最近，SEP-363856被美国FDA授予新一代抗精神病候选药物，与其他抗精神分裂药物不同，SEP-363856非多巴胺D2受体拮抗剂，而靶向TAAR1受体，对精神分裂症的阳性和阴性症状均表现出积极作用，并于2019年被FDA认定为突破性疗法，这为开发精神分裂症的新型治疗方法提供了线索。嗅觉、视觉等感知觉相关的本能行为具有跨物种的高度保守性特征，关乎到物种生存繁衍。包括精神分裂症在内的众多情绪障碍性疾病往往与感知觉、本能行为信息处理异常有关。TAAR1属于痕量胺相关受体家族，也是A类GPCR大家族的一员。有意思的是，几乎所有TAAR家族成员均表达于嗅上皮中，作为嗅觉受体识别环境中挥发性的胺类分子并介导嗅觉本能行为，唯独TAAR1不在嗅上皮中表达，而表达在大脑多个单胺能神经核团中，可感知一系列内源性胺类代谢物（EAM），并且与药物成瘾、注意力缺陷多动症、精神分裂等多种精神疾病相关。尽管靶向TAAR1开发药物具有巨大的治疗潜力，但TAAR1识别EAM等内源配体的分子基础、信号转导多样性的分子基础和药理学机制仍不清楚。更重要的是，如何基于这些机制解析进而开发靶向TAAR1的新一代治疗精神分裂的候选化合物仍亟待系统性研究。山东大学孙金鹏团队长期致力于GPCR微环境感知及药理研究。最近，山东大学孙金鹏教授和杨帆教授，联合四川大学邵振华研究员、上海交通大学医学院李乾研究员和山东第一医科大学王越研究员在Cell发表的这篇文章发现，不仅SEP-363856激活TAAR1-Gs信号通路能够缓解MK-801诱导的精神分裂样症状，激活TAAR1-Gq信号通路的环己胺（CHA）也能够缓解该症状。研究团队进一步系统性解析了不同内源性胺类（三甲胺TMA、苯乙胺PEA和CHA）和小分子药物SEP-363856激活TAAR1多种G蛋白信号的特征，阐明了不同胺类分子激活TAAR1-Gs/Gq通路的分子机制和药理学特征，并根据TAAR1识别配体和偶联不同G蛋白的关键氨基酸，成功开发出同时具有Gs和Gq双激活活性的TAAR1小分子激动剂ZH8651，在小鼠模型中验证了其改善精神分裂的作用与SEP363856改善效果相似，且未表现出僵直反应和基础活动减少的副作用。综上，该研究从TAAR1已知的配体起始，基于关键的配体识别机制和药理学特征筛选出更优的配体，从而为靶向TAAR1调控机体感知、行为，乃至治疗精神分裂症的候选化合物设计及药物开发改造提供了重要参考，也为其余重要的GPCR靶点的药物研发提供了一个新的研究范式。胡霁（上海科技大学研究员，教育部长江学者特聘教授）当人们处于快乐、忧郁、紧张、伤感等各种情绪中时，大部分人觉得这是心理变化，其实是大脑和它的小帮手在操纵着这些情绪。大脑中互相连接的神经元形成巨大而复杂的神经网络，我们的情感、意识、记忆等活动都发生在这个网络中，在这个网络中担当“信使”的神经递质便是小帮手之一。神经递质根据不同的化学组成特点，可分为单胺类、氨基酸类、神经肽类和其他类等。其中单胺类是较早被发现的一类神经递质，包括经典的生物胺例如儿茶酚胺（多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素等）、吲哚胺（主要是5-羟色胺）和咪唑胺。而痕量胺是在结构和功能上与单胺类神经递质类似的内源性物质，包括酪胺、苯乙胺、甲氧酪胺和章鱼胺等，由氨基酸脱羧酶（AADC）等介导的脱羧反应形成，它们在哺乳动物神经系统中的水平比经典生物胺的更低，所以称为痕量胺，但其水平的异常与多种精神疾病相关，如帕金森、抑郁症、精神分裂、注意缺陷多动障碍等。精神分裂症是一类严重的精神疾病，全球约有2400万人患精神分裂症，每300人中就有1人受到精神分类症的影响。精神分裂症有着症状多样、病程漫长的特点。病情严重时可致残疾，并且患者自杀率较高。目前临床使用的药物多以多巴胺受体和5-羟色胺受体为靶点，药物导致的不良反应较多。2020年《新英格兰医学杂志》报道SEP-363856有望成为不依赖于D2受体作用机制的全新抗精神病药，这使痕量胺在大脑中的受体TAAR1（亦是SEP-363856的受体靶点）成为抗精神疾病的潜在重要靶点。为系统研究痕量胺受体TAAR1在精神分裂症中的调控功能，近日孙金鹏团队，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在Cell发表了题为“Structural and signaling mechanisms of TAAR1 enabled preferential agonist design”的研究论文。团队在研究TAAR1下游G蛋白信号通路多样性的过程中，发现TAAR1的Gq通路激动剂能够缓解MK801诱导的精神分裂样症状，Gs/Gq双激活的激动剂可能有更好的改善效果。因此团队进一步解析了引起TAAR1的Gs和Gq通路激活的关键氨基酸位点和传递途径。以此为基础，根据“区域接触划分”策略，筛选出了TAAR1高亲和力的Gs通路激动剂、Gq通路激动剂以及Gs/Gq双激活的激动剂，通过动物实验验证了其对MK-801诱导的精神分裂样症状的缓解效果，并且初步评估了其药代动力学和毒理学特征，揭示了新筛选的激动剂比SEP-363856具有更优的特性，为后续以TAAR1为靶点开发治疗精神分裂症的先导化合物提供了思路。孙金鹏团队和李乾团队长期关注TAAR家族的配体识别机制及生理功能，此文是继团队合作解析TAAR9嗅觉感知的分子机制（Nature，2023，618：193–200）后的又一力作。封面图来源：123RF参考资料：[1] P. Shang, N.K. Rong, J.J. Jiang, J. Cheng, M.H. Zhang, D.W. Kang, L. Qi et al., Structural and signaling mechanisms of TAAR1 enabled preferential agonist design. Cell (2023). DOI: 10.1016/j.cell.2023.10.014▼细胞和基因疗法科学讲座点击图片立即观看本文来自药明康德内容微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系wuxi_media@wuxiapptec.com。免责声明：药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。更多推荐点个“在看”再走吧~