第一作者：付春亭、肖杨

通讯作者：周小明、孙子宜

通讯单位：四川大学华西医院生物治疗全国重点实验室/中西医结合科

论文DOI：10.1038/s41467-024-49894-7

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该研究通过X-射线晶体衍射技术，解析了非洲爪蟾（Xenopus laevis）的sigma-1受体（xlσ1R）分别结合两个内源性神经类固醇配体——黄体酮（一般认为是拮抗剂）和脱氢表雄酮硫酸盐（DHEAS，一般认为是激动剂）——的高分辨率三维结构，并提出了σ1R配体结合的普适“两部结合模型”。这是σ1R与候选内源性配体形成复合物结构的首次获得，结合亲和力测定与分子动力学模拟分析，该研究揭示了内源性神经类固醇配体与σ1R之间的相互作用细节，为理解σ1R内源性功能和作用机制提供了新的视角。

背景介绍

Sigma-1受体（σ1R）是一种非阿片类跨膜蛋白受体，广泛分布于哺乳动物脑、肝、胰、脾和肾上腺等多器官，主要位于细胞内质网膜上。σ1R调控多种细胞功能，其功能异常与肌萎缩侧索硬化症、阿尔茨海默病、心血管疾病、糖尿病视网膜病变、癌症和药物成瘾等多种疾病密切相关。目前，研究人员已研发出靶向σ1R的若干合成配体，包括激动剂和拮抗剂，能产生抗遗忘、抗精神病或抗肿瘤等多种药理作用。同时，合成配体结合σ1R的结构机制研究也取得了实质性进展1-3。另一方面，研究人员也发现了σ1R内源性配体的若干候选化合物，如神经类固醇、鞘磷脂、二甲基色胺、肉豆蔻酸、胆碱等4-9。然而关于内源性配体如何与σ1R结合，是一个未解之谜。

研究内容与结果

这项研究的核心内容，是研究人员尝试通过共晶法或浸泡法获得xlσ1R与若干神经类固醇配体的复合物晶体，并通过X-射线晶体衍射法解析复合物结构。然而，研究人员前期工作发现xlσ1R在未加入已知配体的情况下其配体结合腔内存在一个未知电子云密度3，且前期xlσ1R结晶条件产生的晶体分辨率不够高（3-4 Å）3。这使得研究人员在判断xlσ1R与神经类固醇配体的复合物晶体结构时难以确定配体结合腔中电子云密度的分子身份。

为了解决这一问题，在这项工作中研究人员首先优化了xlσ1R蛋白样品并进一步筛选了结晶条件，最终成功解析2.17 Å的xlσ1Runknown-lig结构。这个结构与以往报道的σ1R结构类似，为三个xlσ1R单体组装成的同源三聚体（图1）。每个单体包含五个α螺旋（α1-α5）和十个β链（β1-β10），而配体结合位点位于β1-β10围成的β桶结构域的腔内，包含一个未知分子的电子云密度。虽然该研究没有确定未知电子云密度的分子身份，但xlσ1Runknown-lig结构2.17 Å的分辨率提供了更多结构特征，有利于清楚区分结合的神经类固醇和未知分子。

然后，研究人员以xlσ1Runknown-lig晶体条件为基础，通过浸泡法和共晶法，首先解析了2.15 Å的xlσ1R-黄体酮复合物结构xlσ1Rprog-co（图1）。结构显示，黄体酮分子结合在β桶结构域内，与先前报道的xlσ1R结构中合成配体（PRE-084和S1RA）结合的位置相似3，但与β10链上保守的E169残基无直接相互作用。突变体（xlσ1R-E169A）与黄体酮的结合实验支持这一结论。

图1：xlσ1R-黄体酮复合物的结构。

结构分析表明，黄体酮主要通过甾环与xlσ1R的β桶结构域（近膜区域）内壁的疏水残基侧链发生疏水相互作用（图1）。同时，β桶腔内（远膜区域）观察到六个水分子（图2）。这些水分子彼此之间，以及与黄体酮C20羰基氧原子和β桶腔内S114（β4/β5环）、Y117（β4/β5环）、D123（β5）、Q132（β6）、H151（β8）和T157（β9）等亲水性残基形成广泛的氢键。这一氢键网络介导了黄体酮与xlσ1R之间的间接相互作用，有助于黄体酮结合。

图2：水分子介导的黄体酮与xlσ1R之间的间接相互作用。

最后，研究人员解析了xlσ1R与另一种内源性神经类固醇配体DHEAS的复合物结构（xlσ1RDHEAS-I432）（图3）。DHEAS结合位置与黄体酮类似，但分子朝向相反，且DHEAS通过其C3硫酸酯基团直接与xlσ1R的E169侧链相互作用。另一方面，水分子与DHEAS的C3硫酸酯氧和D123（β5）侧链形成氢键。通过比较DHEAS与黄体酮结合模式的异同，研究人员进一步提出了σ1R配体结合的普适“两部结合模型”（图4）。

图3：xlσ1R-DHEAS复合物的结构。

图4：σ1R配体结合的普适“两部结合模型”。

总结与展望

该研究综合利用蛋白晶体学、亲和力测定和分子动力学模拟等手段，阐述了xlσ1R与两种内源性神经类固醇配体（黄体酮和DHEAS）结合的分子结构机制。并通过比较黄体酮和DHEAS结合模式的异同，揭示了σ1R中不同神经类固醇配体在结合时可能采用一种通用机制，但不同类固醇配体的结合模式又可能略有不同。这一研究成果将有助于生成更普适的σ1R 配体药效团模型。

参考文献

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课题组介绍

四川大学华西医院生物治疗全国重点实验室/中西医结合科的孙子宜副研究员与周小明研究员团队（课题组网页：https://www.x-mol.com/groups/mapsaid），重点研究方向是重大疾病中（包括神经精神类、代谢类、免疫类疾病、肿瘤、病毒等）相关膜蛋白的结构功能和应用研究，研究成果发表在Nature、Nat Commun、PNAS、Transl Psychiatry、J Neurosci、PNAS Nexus、JBC等国际知名期刊上。课题组欢迎对膜蛋白结构与应用研究感兴趣的博士后、博士硕士研究生、科研助理加入。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49894-7