作用于α4β2乙酰胆碱受体的α-芋螺毒素GIC/GID类似物分子设计

α4β2 neuronal nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are ligand-gated ion channels and widely expressed throughout the central and peripheral nervous system, and they are important therapeutic targets for pain, depression, and nicotinic addiction et al. The crystal structures of α4β2 nAChRs was reported in the journal Nature recently which provided insights into the drug design targeting α4β2 nAChRs. α-Conotoxin GIC/GID are small disulfide-rich peptides from the venom of the Conus species that inhibit the α4β2 nAChRs. However, poor selectivity of GIC/GID may cause potential side effects which inevitably limited its application. According to these studies, here we will redesign GIC/GID using computational methods, such as docking and molecular dynamic simulations, to obtain new potent and selective GIC/GID analogues. Then these peptide analogues will be synthesized by solid-phase method. After that, GIC/GID analogues’ electrophysiology activities will be tested and potent mutants' tridimensional structures will be elucidated by technology of NMR spectroscopy. A profound understanding of the molecular mechanisms responsible for GIC/GID analogues' activities also will be investigated using molecular simulation and receptor mutation method. The study of this project will obtain 1-2 promising drug leads inhibiting α4β2 nAChRs, and also provide important reference for computer-assisted design of other conotoxin molecules.

α4β2乙酰胆碱受体是一类配体门控离子通道，该受体在中枢神经以及外周神经系统中广泛表达，已成为治疗神经痛、抑郁和烟瘾等重要疾病的靶点。2016年，该受体的高分辨率三维结构首次被测定，开启了α4β2乙酰胆碱受体药物研发的新方向。α-芋螺毒素GIC/GID都是来自芋螺的多肽毒素，能够阻断α4β2乙酰胆碱受体，虽然活性较强，但选择性差，限制了其应用价值。在α4β2乙酰胆碱受体结构和GIC/GID活性的研究基础之上，本项目拟通过分子对接和动力学模拟等方法辅助设计GIC/GID突变体，同时采用固相合成法合成，利用电生理方法评价其活性，然后利用核磁共振解析活性强、选择性好的突变体，最后利用分子模拟和受体突变等技术阐明筛选获得的GIC/GID突变体与α4β2乙酰胆碱受体之间相互作用的分子机制。本项目以期获得1-2种作用于α4β2乙酰胆碱受体的先导药物分子，同时为芋螺毒素的计算机辅助设计提供方法指导。

芋螺毒素是由海洋软体动物芋螺分泌的一类活性多肽，能够作用多种不同类型离子通道受体，具备开发为镇痛、抗成瘾等药物潜力。迄今为止，已经发现了多种芋螺毒素作用于α3β2乙酰胆碱受体，但没有发现有高活性和高选择性的作用于α4β2乙酰胆碱受体的芋螺毒素。本项目拟以芋螺毒素GIC/GID为模板，设计作用于α4β2乙酰胆碱受体的多肽分子，项目主要研究结果总结如下：1、利用计算机模拟和受体突变等方法，分析了多种芋螺毒素与α3β2和α4β2乙酰胆碱受体相互作用的关键氨基酸，发现α4亚基上Arg-188 和Pro-198在乙酰胆碱受体受体选择性上发挥重要作用；2、合成GID/GIC突变体，然后进行了电生理活性测试，结果发现设计GID[γ4A,O16P]等芋螺毒素突变体对α4β2乙酰胆碱受体IC50值有一定的提升，具有进一步开发价值；3、本项目还在研究过程发现了能够作用于α3β2乙酰胆碱受体芋螺毒素QuIA，作用肌肉型乙酰胆碱受体芋螺毒素QuIA, MIA和MIB，具有进一步深入研究价值；4、本项目还研究了小分子化合物（如尼古丁和金雀花碱等）探索它们与α4β2 nAChR及其突体开放离子通道关系。目前为止，发表标注本基金的论文共计6篇，其中SCI论文4篇，参与申请专利4项，培硕士研究生共3名。