芋螺毒素是一种来源于海洋腹足动物芋螺毒液、富含二硫键的小分子肽，能选择性作用于离子通道或膜蛋白受体，其中的α-芋螺毒素可作用于乙酰胆碱受体（nAChR)的不同亚型。nAChR是配体门控离子通道，由5个亚单位构成（下图），在外周及中枢神经系统中参与神经递质的快速传输，介导中枢和外周神经系统的多种生理功能。α9α10型乙酰胆碱受体主要分布在哺乳动物的耳蜗，与听觉系统的形成与保护有关，最近研究发现，含有α9亚单位的 nAChR还与疼痛、肿瘤及免疫缺陷等疾病有关。因此，α9α10 nAChR已成为重要的镇痛药与潜在抗肿瘤药物的作用靶点。
我院江涛教授团队与澳大利亚卧龙岗大学（University of Wollongong）的David Adams教授课题组合作，设计合成了多种靶向α9α10 nAChR的α-芋螺毒素及类似物，通过分子动力学模拟、能量计算与电生理学实验，从分子水平上阐明了几种重要α-芋螺毒素针对具有不同构成模式α9α10 nAChR的构效关系与选择性作用机制，为该系列化合物进一步开发奠定了理论依据。
α-芋螺毒素Vc1.1的活性与受体亚单位构成模式相关，而α-芋螺毒素RgIA#及PeIA的活性却与受体亚单位构成模式不相关。通过计算机模拟发现富含α9亚单位的(α9)3(α10)2 nAChR与富含α10亚单位的(α9)2(α10)3 nAChR相比，前者含有独特的α9(+)α9(-)位点，此位点可能是Vc1.1的高活性作用位点。分子动力学模拟揭示Vc1.1中的D11可以与α9(+)α9(-)位点内非保守氨基酸N154侧链形成氢键，而该氢键在α10(+)α9(-)口袋中却不存在，因此该氢键作用解释了Vc1.1针对α9(+)α9(-) vs α10(+)α9(-)选择性，也解释了针对(α9)3(α10)2 nAChR vs (α9)2(α10)3 nAChR的选择性。进一步研究发现，RgIA#与PeIA相应位置氨基酸侧链却不能跟α9(+)α9(-)内独特的N154形成氢键作用，导致它们未表现出针对α9(+)α9(-) vs α10(+)α9(-)选择性，或许解释了为什么它们的活性与受体的构成无关。研究者通过定点突变实验与热力学循环计算确证了Vc1.1中的D11与α9(+)α9(-)口袋中N154直接相互作用，并且相互作用的能量为1.9 kcal/mol，该能量值正好跟羧基与酰胺基之间形成的氢键理论值相吻合。该研究结果表明，芋螺毒素Vc1.1的11位氨基酸是影响它选择性的决定性氨基酸，通过对该位置氨基酸侧链改造，有望设计出选择性更高的Vc1.1结构类似物。
于日磊博士为该研究成果的第一作者兼共同通讯作者，Han-shen Tae为并列第一作者，Nargis Tabassum博士、史娟同学及江涛教授为合作作者，David Adams教授为共同通讯作者。该研究由国家自然科学基金、中央高校基本业务经费、国家实验室鳌山科技项目及山东省联合基金等项目资助。该研究成果于2018年5月7日在线发表在Journal of Medicinal Chemistry期刊上（药物化学一区，TOP期刊，IF = 6.259）。
Molecular determinants conferring the stoichiometric-dependent activity of α-conotoxins at the human α9α10 nicotinic acetylcholine receptor subtype. J. Med. Chem. May 7, 2018. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.8b00115
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/pdfplus/10.1021/acs.jmedchem.8b00115
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