顏寧最新成果發佈！連發兩篇 Nature 子刊，稱「所解析的結構都是 AI 無能為力的」

人們對於非成癮性的止痛藥保健需求日益增長。其中，不會顯示出令人精神成癮的效果、具有一定緩解疼痛效果的大麻二酚（CBD）正在嶄露頭角，吸引著科學傢們的目光。

2023 年 6 月 17 日，普林斯頓大學/深圳醫學科學院顏寧及哈佛醫學院 Bruce P. Bean 共同通訊在 Nature Communications 雜志發表研究論文 Cannabidiol inhibits Nav channels through two distinct binding sites，該研究展示瞭大麻二酚（CBD）在亞微摩爾濃度下以狀態依賴的方式與 Nav1.7 通道相互作用。電生理實驗表明，CBD 與失活狀態的 Nav1.7 通道結合，解離常數約為 50 nM，CBD 與 Nav1.7 通道結合的低溫電子顯微鏡結構顯示瞭兩個不同的結合位點，該結合位點的鑒定能夠助力設計出與 CBD 本身相比、具有更好性能的化合物，為疼痛藥物的設計和開發提供瞭新思路！

圖片來源：Nature Communications

值得一提的是，這是顏寧團隊本月第二篇關於疼痛治療的重磅研究。6 月 3 日，顏寧團隊與清華大學潘孝敬團隊合作在 Nature Communications 雜志發表研究論文 Structural mapping of Nav1.7 antagonists。

Nav 通道是眾所周知的天然毒素和臨床應用藥物靶點。該研究解析瞭用具有代表性化學骨架的藥物（佈比卡因、拉考沙胺、卡馬西平、長春西汀、左旋哈氏豆屬酸、維索三嗪等）和先導化合物處理過的人類 Nav1.7 的高分辨率冷凍電鏡結構，其分辨率高達 2.6～3.2Å。

同時將已知的配體結合位點映射到 Nav 通道的解析結構上，首次提出瞭一個字母編碼的命名系統來描述 Nav1.7 三維空間中的可成藥位點，為精準設計和開發靶向 Nav 通道的藥物提供瞭重要基礎。

圖片來源：Nature Communications

這一系列研究相互呼應、相得益彰。

顏寧教授本人也在論文上線後發表瞭微博，稱「這兩篇文章中任何一個結構都是 AI 無能為力的」。

圖片來源：微博截圖

研究背景

大麻二酚（CBD）是大麻中一種主要的非精神活性植物大麻素，高濃度的 CBD 可以與多種蛋白質相互作用，對治療幾種兒童癲癇有療效，目前已獲 FDA 批準，在一些動物實驗和小型臨床試驗中，CBD 被證明可以緩解疼痛，但哪些靶點與臨床作用密切相關尚不清楚。

此外，CBD 在臨床上常被用於治療其他藥物無法控制的癲癇，但它仍存在著相當大的局限性，包括引起嗜睡、嘔吐、腹瀉和肝臟異常。這些不良影響可能反映瞭 CBD 結合特異性不夠，因此可能影響瞭一些不太參與其有益作用過程的蛋白位點。

Nav1.7 是由 SCN9A 基因編碼，主要定位於背根神經節神經元，被認為是疼痛治療的重要靶點。因此，瞭解 CBD 在 Nav 通道上的結合位點，將有助於基於結構生物學、開發和設計針對鈉通道的特異性更好的藥物！

研究內容與結果

為瞭回答上述問題，解決大麻二酚藥物的局限性，使其最大程度的揚長避短，本研究著眼於 CBD 和 Nav1.7 通道展開瞭深入探索。

CBD 的作用之一是抑制電壓門控鈉（Nav）通道，CBD 與 Nav 通道的相互作用是狀態依賴性的，與通道的關閉失活狀態相比，與通道的關閉靜息狀態結合的親和力更高。為瞭研究 CBD 結合的結構基礎，在裂解細胞、純化蛋白時便加入 CBD，進而獲得瞭 CBD 與人類 Nav1.7 通道結合的分辨率 2.8Å、低溫電子顯微鏡結構。

研究結果顯示，與 Nav1.7 通道結合的 CBD 的冷凍電鏡結構揭示瞭兩個不同的結合位點，一個位於上孔附近的 IV-I 孔中，另一個結合位點直接靠近重復序列 III 和 IV 之間的短連接體上的 Ile/Phe/Met (IFM) 基序的失活「楔形」位置，介導快速失活。

與產生失活狀態的直接穩定一致，該結合位點的突變殘基大大減少瞭 CBD 的狀態依賴性結合，也就是說該結合位點的識別可以設計出比 CBD 本身性能更好的化合物。換而言之，CBD 結合位點上的殘基大大降低瞭 CBD 的狀態依賴性抑制，表明 CBD 結合穩定失活的機制非常直接。

圖片來源：Nature Communications

本研究還分析瞭 Nav1.7 在 CBD 結合到 I-位點時的構象變化，結果顯示 CBD-1 與 I 位點的結合可能不需要通過開窗移動，因為 I 位點位於孔結構域的外部，因此可以直接從脂質雙分子層獲得。識別 Nav1.7 通道中 CBD 的兩個結合位點，有助於完善 CBD 在細胞外溶液、脂質雙分子層和通道之間的運動模型。

此外，CBD 與 Nav1.7 的重復序列 IV 和 I 所包圍的「開窗結合」區域，周圍的環境是高度疏水的，顯示為疏水表面，單點突變 V383A 和 F387A 均降低瞭 Nav1.7 對 CBD 的敏感性。總之，一系列生化實驗，表明所有的單一和雙突變的 CBD-1 結合位點大大降低 Nav1.7 的敏感性和可用性的轉變，I-位點對 CBD 的快速滅活狀態的穩定做出瞭重要貢獻。

令人註意的是，CBD 的作用雖然非常有效，但也非常緩慢，需要幾分鐘才能接近穩定狀態突變。

圖片來源：Nature Communications

目前，非成癮性止痛藥在醫藥研究領域有著廣闊的應用前景和需求，然而，由於類似離子通道缺乏精確的結構，相關靶向離子通道藥物的合理設計一直是科學傢們孜孜不倦探索的難題。望科學傢們早日攻克疼痛難題，還人們以健康舒適生活！