“相比光遗传学中快速发展的工具箱，化学遗传工具的发展则受到了较多的限制。

我们这项工作深入分析了 DREADD 系统的工作机制，为下一代化学遗传激动配体的开发提供了基础，也为设计其他 DREADD 系统提供了新思路。”

目前在美国北卡罗来纳大学教堂山分校医学院药理学系从事博后研究的张世成表示。

图 | 张世成（来源：张世成）

不久前，由其担任第一作者的论文发表在 Nature 上。论文细致地阐释了 DREADD 系统（Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs）的高选择性分子机制，促进了人们对于设计 DREADD 系统的理解。其中所报道的结构信息，也将促进新一代化学遗传工具的开发，并有望催生新的疾病治疗方法。

本文主要研究的 DREADD 技术是化学遗传学中的一种，它的全称是 Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs，即经设计改造的受体仅能够被特定设计的药物所激活。

化学遗传学和光遗传学，是用于调控神经元活性的两种主要技术手段。相较于光遗传学，DREADD 化学遗传学技术的显著优点在于，不需要特定的设备，口服给药即可，对生物体没有侵入性也就是无需埋入光纤，同时还能承受长时间的刺激。

另一个明显的区别在于，光遗传学一般通过直接控制离子通道的开关实现神经元活性的调控，较难模拟神经元在生理条件下的放电频率变化。

而 DREADD 技术则通过劫取胞内的信号通路，间接地调控膜上离子通道的活性，从而达到开关神经元的操作变化，故能在一定程度上保持神经元的固有频率变化。

由此可以看出，DREADD 技术在治疗各类神经疾病中具有重要的前景。此外，DREADD 系统是基于 G 蛋白偶联受体（G protein coupled receptor，GPCR）改造而成，而 GPCR 则能广泛介导光、味觉分子、嗅觉分子、激素、神经递质、趋化因子等胞外信号向胞内传递的过程。

因而，利用 DREADD 系统可以特异性地激活和补偿受损的调控通路，借此达到治疗相应疾病的目的。

张世成表示：“我们也期待基于此次论文报道的结构功能信息，能让人们发展出具有更高选择性的、更高效的能用于临床的 DREADD 系统的激动配体。”

近日，相关论文以《化学遗传工具 DREADD 选择性激活的分子机制》（Molecular basis for selective activation of DREADD-based chemogenetics）为题发表在Nature 上 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nature）

张世成和 Ryan H.Gumpper 是文章共同第一作者，美国马里兰大学医学院生物化学与分子生物学系教授乔纳森·F·费伊（Jonathan F. Fay）、以及北卡罗来纳大学教堂山分校医学院药理学系教授布赖恩·L·罗斯（Bryan L. Roth）担任共同通讯作者。

“科学应当具有可预测性”

正是由于 DREADD 系统可以远程调控神经元的激活和沉默，才让化学遗传学得以在神经生物学领域广泛普及。

目前主要使用的 hM3Dq 和 hM4Di 均是通过定向进化而来，但是对其选择激活的分子机制，人们却一直都不清楚。

这在很大程度上限制了新的激动配体的发展。在以往的报道中，针对基于毒蕈碱型乙酰胆碱受体的 DREADD 系统的激动配体，均为神经类药物氯氮平的类似物。

张世成表示，最初着手此次课题，也是考虑到各方面条件都已经成熟，特别是近些年单颗粒冷冻电镜技术的发展，让整个 GPCR 领域、尤其是激活态受体的复合物结构解析变得愈发容易。

本次研究中，结构解析的部分一直推进得很顺利。他说：“中间的插曲在于，获得内源配体结合的野生型受体复合物的结构、以及我们新发现的 QNB 结合 DREADD 受体的复合物的解析进行得并不顺利，考虑到课题必须尽快推进，才暂时搁置了对于相关复合物的结构研究。”

在对其他结构进行分析之后，张世成对 DREADD 系统的工作原理进行总结和推测，并辅以一些实验进行交叉验证。

“值得一提的是，我的同事 Gumpper 博士所做的分子动力学模拟实验，不仅很好地解释了已有数据，也展示出一些很好的新想法。让我自己对分子动力学模拟实验的印象有了很大改观。”张世成说道。

而在拿到结构之后，张世成便开始分析 DREADD 受体，能被设计化合物激活的机制原理。联想到氯氮平是未改造的乙酰胆碱受体的拮抗剂，但却可以高效激活改造后的 DREADD 受体。

于是，他将 DREADD 复合物、以及结合了拮抗剂的非激活态乙酰胆碱的受体进行比对，结果发现很有可能是 DREADD 其中的一个突变位点 Y3x33 与小分子化合物之间产生了空间位阻，迫使小分子的结构出现弯曲，进而改变了另一侧跨膜螺旋的结构，最终将受体锁定在非激活态。

而在 DREADD 受体中，大侧链氨基酸则被突变成一个小侧链氨基酸，借此消弭了原有的空间位阻，这让激动配体能以舒展的方式，结合在正构位点当中，进而能像内源配体激活原生受体一样去激活 DREADD 受体。关于这个想法，很快也在实验中得以验证。

说到这里张世成表示：“上学时物理老师在介绍万有引力定律时说，‘正确的理论不仅可以解释已经发生的现象，也可以预测一些没有发生的现象。’其实就是我们常说的科学应当具有可预测性。”

而在 DREADD 这个课题上，他想如果原生受体的拮抗剂氯氮平可以激活 DREADD 受体，那么其他大小类似的拮抗剂，是否也可以激活 DREADD 受体？

于是，他将目标锁定在已经获得结构解析的 QNB 和 Tiotropium 上。对比发现，二者在结合口袋中的构象和将氯氮平对接在结合口袋中的构象高度相似。

接着，在实验中他发现，QNB 和 Tiotropium 确实可以部分地激活 hM4Di，甚至在经典的 cAMP 累积实验中，其激活效应和去氯氯氮大致相当。

但是，这两个分子却不能激活 hM3Dq。于是，张世成又进一步比较了 hM3Dq 和 hM4Di 在激活状态下的区别，发现相较于 hM4Di，hM3Dq 在激活过程中发生了更大的构象变化，提示了其激活的能量壁垒可能更高。

上述结果不仅支持了张世成对于 DREADD 激活机制的分析，也让他发现了包含 QNB 在内的，具有 DREADD 亚型选择潜力的激动配体分子。

他表示：“对于结构生物学的研究来说，这也是发现新现象和新机制的一个经典案例。”

（来源：Nature）

将继续拓展化学遗传工具 DREADD

据介绍，张世成所在团队的整体目标是发展和优化 DREADD 技术体系，拓展它的应用场景，努力让其在临床治疗中发挥作用。

因此，探索 DREADD 的设计原理仅是整个大课题的第一步。后续工作大致包括以下几个方面：

首先是利用已知的结构信息，研发出选择性更加优越的下一代激动配体，进一步减少其与人体内其他内源表达的受体的亲和力，借此降低临床应用中潜在的副作用。

其次是发展具有亚型选择性的激动配体。目前，该团队使用最多的 DREADD 系统，依旧是基于烟碱型乙酰胆碱受体改造的工程受体，即论文中的 hM3Dq 和 hM4Di。

当下，学界开发的激动配体几乎都是氯氮平的类似物，它对于 hM3Dq 和 hM4Di 这两种 DREADD 受体，都具有较高的亲和力。

而通过分析两者在结合口袋上的不同，张世成和同事计划设计可以选择性激活 hM3Dq 或 hM4Di 的激动配体，以让两者同时在体内使用。

他举例说：“我们在激活部分神经元的同时，还可以抑制另一部分神经元。此次论文中，我们发现的小分子 QNB 和 Tiotropium，就是一个很好的先导化合物，它们可以选择性地激活 hM4Di。”

另据悉，课题组前期开发的基于鸦片受体的 KORD，也可以激活 Gi 信号通路，从而抑制神经元的活性，故能在一定程度上实现与 hM3Dq 的联用。

同时，发展 DREADD 系统的选择性拮抗配体也具有重要意义。当不需要某个 DREADD 受体激活时，可以将其锁定在非激活的状态。

“最后，我们还可以进一步探索 DREADD 受体的下游信号通路，通过分离的手段，发展出来可以介导特定信号通路的 DREADD 系统，从而对信号通路和行为表型进行更精准的操作。”

而当化学遗传操作工具箱足够丰富和有效时，甚至可以借助 DREADD 工具系统给药的特点，在调控部分神经元活性的同时，调控体内某些器官组织的信号通路变化。

（来源：Nature）

另据悉，张世成目前所在的研究组，是一个以发现药物、发展新的治疗方法为中心，同时在研究方向和手段上十分多样化的实验室。

在药物发现方面，该团队既能通过自建平台开展大规模的实体药物筛选，也能通过外部合作进行基于结构的虚拟筛选。

课题组也同样热衷于开发科研工具，比如张世成目前正在拓展研究的 DREADD 技术、能被用于分析 GPCR 下游信号通路的 TruPath 工具、以及能够高效发现化合物的脱靶受体 GPCRome 的筛选平台，都已得到学界的广泛使用。

他继续说：“我们不仅针对经典受体进行深入的药理研究，也在大量地研究孤儿受体的配体。

特别指出的是，我的导师 Bryan 还是美国国立卫生研究院的 IDG（Illuminating the Druggable Genome）项目中 GPCR 部分的共同负责人，该项目旨在发掘基因组中的可成药靶点。”

2022 年 7 月，张世成发表在 Nature Structural & Molecular Biology 上的论文，介绍了血清素 5A 亚型受体的结构功能分析、以及选择性配体开发的成果，而这正是 IDG 计划的一部分。

“同时，Bryan 还运行着美国国家心理健康研究所的精神类药物筛选平台，负责测选药品对于大脑中高表达受体蛋白的亲和力，这为我们在分析药物的脱靶效应和多重药理学方面提供了强大的支持。”张世成说。

（来源：Nature）

事实上，北卡的生医研究一直很出色。他表示：“根据我的观察，与国内多数医学院的不同的是，美国的医学院不仅有很好的临床研究，也设有许多关于基础生命科学的研究部门。”

以他所在药理系为例，该系是一个“庞杂”的研究单元，包括 30 多个课题组，涉及癌症、神经生物学、基因治疗、药物成瘾、药物发现等多个方向，却又都能回归到探索药物与人体作用关系的核心问题上。

他继续说：“无论是在论文发表还是资金支持上，无论在全美亦或在全球，北卡药理系的排名都非常靠前。

此外，药理系楼下的生物化学与生物物理系（即 2015 年诺贝尔化学奖的获得者 Aziz Sancar 教授所在的系）和楼上的遗传系，都在做非常基础的研究工作，也就是国内常说的‘发文章’的工作。”

这样的医学院可以大量囊括基础生命科学的研究，也容易催生临床新技术的发现和发展。

“不过我也注意到，国内很多大学也开始进行大生命医药学部的建设，同时一些医学院也开始实行多学科建设，相信我们很快也会出现一批具有顶尖水平的生物医学研究单位。”

目前，张世成正在积极寻找国内教职。他说：“我主要有生物化学与分子生物学、结构生物学、分子药理学和神经药理学的研究背景，长期从事以结构为导向的药物发现和受体改造研究。”

未来他的主要工作方向是拓展化学遗传工具 DREADD 的工具箱，多角度地探索 GPCR 的生理信号转导机制，以及面向重要神经疾病的靶点寻找先导化合物。

他继续说道：“我心目中的理想平台，希望可以提供包括结构生物学、药物筛选发现平台等方面的支持。”

参考资料：

1.Zhang, S., Gumpper, R.H., Huang, XP. et al. Molecular basis for selective activation of DREADD-based chemogenetics. Nature 612, 354–362 (2022).