基于αD-芋螺毒素设计nAChR的亚型选择性阻断剂

Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are responsible for transmitting acetylcholine-mediated nervous signals, and thus play essential roles in various physiological processes. Malfunction of nAChRs is closely related with a series of diseases including myasthenia gravis and Alzheimer’s disease. nAChRs are expressed in different subtypes that are involved in different physiological and pathological events. Therefore, subtype-specific antagonists are valuable tools for the study of nAChRs. Due to their fundamental function, nAChRs are the target of a variety of natural toxins, some of which have been used as powerful tools in nAChR study. Recently, the applicant has identified a novel alphaD-conotoxin from the venom of Conus generalis. The ongoing study till now has revealed that this conotoxin inhibits nAChRs with a novel mechanism via a novel binding site. This project is proposed to further explore the working mechanism of this alphaD-conotoxin, in order to know the precise binding sites and the minimal functional module of this toxin. Furthermore, the minimal functional module of this toxin will be optimized to gain higher activity and higher subtype specificity. The final goal of this project is to obtain novel nAChR antagonists with high subtype specificity. This will not only improve the understanding of conotoxins, but also facilitate the nAChR study and drug development.

烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR）参与乙酰胆碱介导的神经信号传递，在多种生理活动中起着重要的作用，nAChR的功能异常也跟重症肌无力、老年痴呆症等疾病密切相关。nAChR有很多种不同的亚型，各具有不同的生理和病理功能，对它们的研究很需要有亚型特异性的阻断剂。正因为nAChR的重要生理功能，很多天然毒素是以nAChR为靶点的，这些毒素经常可以作为nAChR研究的有力工具。申请人从将军芋螺的毒液中发现了一种alphaD芋螺毒素，并发现它能作用于nAChR上的一个全新位点，以一种全新的方式来抑制nAChR的活性。本项目将在此基础上继续深入阐明这种芋螺毒素抑制nAChR的分子机制，同时依据不同nAChR亚基中毒素结合位点的序列差异性，对毒素的活性结构域进行优化改造和合理设计，以获得具有高度亚型特异性的nAChR新型阻断剂。这将为nAChR的研究提供新的思路和工具试剂，并具有潜在的药物开发前景。

烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR）可以感受突触间隙中的重要神经递质—乙酰胆碱，并介导相应的神经信号传递，是神经系统中一类非常重要的受体分子。nAChR的异常与多种疾病密切相关。所以，针对nAChR的特异性抑制剂不仅是科学研究中的重要工具试剂，也可以作为药物开发的先导化合物。芋螺毒素是海洋软体动物芋螺所生成分泌的一大类多肽毒素，可以作用于神经系统中的多种离子通道、受体等靶点，其中蕴藏着丰富的资源。中国南海将军芋螺中发现了一个能高效抑制nAChR的新型二聚体芋螺毒素αD-GeXXA。为了挖掘这个毒素的作用机制和利用前景，本项目首先对毒素中的N端二聚化结构域NTD进行了化学制备和活性测定，发现这个NTD具有与CTD相同水平的nAChR抑制活性。随后又进一步优化制备了一个方便合成的环形NTD（cNTD），并发现其中的四个Arg残基是必不可少的活性位点。更有趣的是，对cNTD的结构与功能关系研究发现，线性的NTD就可以发挥nAChR抑制活性。在此基础上的进一步结构优化获得了一个抑制活性提高2个数量级的线性NTD突变体。此外，本项目还从将军芋螺中发现了一个新型的nAChR抑制毒素GeXXVIIA，抑制活性IC50仅为16 nM，而且它的活性并不依赖于毒素肽链中的二硫键，很可能是通过一种全新的作用机制来发挥抑制活性的。这些新型nAChR抑制剂的发现和获得不仅丰富了对nAChR抑制机制的认识，也为进一步的开发和利用奠定了坚实的基础。