引言

         血清素（5-hydroxytryptamine，5HT）具有典型的色胺结构：吲哚C3位连接乙胺侧链，C5位带羟基。抗偏头痛药舒马曲坦（sumatriptan）保留了这一吲哚-乙胺骨架，同时将C5位扩展为体积更大的含磺酰胺取代结构。

         早期放射性配体结合研究显示，舒马曲坦对5HT₁D和5HT₁B位点的Kᵢ分别为17和27 nM，对5HT₁A的Kᵢ为100 nM，而对另外10个检测的神经递质受体结合位点，Kᵢ均大于10 μM。[1] 曲坦类的主要受体药理集中于5HT₁B/5HT₁D，在Wang等采用的功能实验中，所测曲坦对5HT₂B的作用总体明显弱于5HT₁B。[2]

         由于5HT₂B受体激动与药物相关心脏瓣膜病风险有关，5HT₁B/5HT₂B比较可以作为曲坦主要作用受体之一与重要非靶受体之间的结构对照。5HT₁D同样参与曲坦的抗偏头痛药理，但不在这组双结构比较的讨论范围内。[2,3]

         2013年发表的人5HT₁B和5HT₂B受体晶体结构显示，两种受体具有相似的深部正构结合口袋，但靠近胞外侧的扩展结合口袋存在明显几何差异。色胺样核心主要占据保守的正构位点，曲坦C5取代基则向差异更大的外侧区域延伸。两部分共同决定受体识别和亚型选择性。[2,3]

1. 吲哚-乙胺药效团在正构口袋中的识别

1.1 质子化胺与Asp³·³²形成深部离子锚点

         5HT₁B属于A类G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，GPCR），其配体结合腔位于七条跨膜螺旋围成的螺旋束内部。5HT₁B中的Asp129³·³²位于正构结合口袋深部，其中3.32为Ballesteros–Weinstein通用残基编号。

         5HT₁B与麦角胺（ergotamine，ERG）的晶体结构显示，配体带正电的氮与Asp129³·³²羧酸盐形成盐桥。5HT在晶体结构基础上的分子对接也呈现相同的识别方式，其在生理条件下主要质子化的乙胺末端指向Asp³·³²。[2]

         这一离子作用将色胺侧链固定在结合腔深部，并限制吲哚环在正构口袋中的位置和取向。

1.2 吲哚 N–H 与 Thr³·³⁷ 提供第二个定向作用

         5-HT₁B/ERG 晶体结构中，吲哚 N–H 与 Thr134³·³⁷ 形成氢键；5-HT 的对接模型也保留这一相互作用。将 5-HT₁B 和 5-HT₂B 中相应的 Thr³·³⁷ 突变为 Ala 后，5-HT 的结合亲和力均降低超过 10 倍，支持该位点参与 5-HT 识别。[2]

         Asp³·³² 对质子化胺的离子锚定与 Thr³·³⁷ 对吲哚 N–H 的定向作用形成两个空间约束，使吲哚-乙胺骨架以相对确定的构象进入受体正构位点。

1.3 吲哚芳香表面朝向跨膜螺旋 V

         5-HT 的对接模型中，吲哚环朝向跨膜螺旋 V。5-HT₁B 中邻近残基包括 Ser212⁵·⁴² 和 Ala216⁵·⁴⁶，5-HT₂B 中相应位置为 Gly221⁵·⁴² 和 Ala225⁵·⁴⁶。该界面比其他一些生物胺 GPCR 的对应区域极性更低，与 5-HT 的吲哚芳香体系相匹配。[2]

         由质子化胺、吲哚 N–H 和吲哚芳香表面形成的空间组合构成了色胺类配体的基础识别框架。

2. 保守正构口袋提供共同识别，扩展口袋承载亚型差异

         人 5-HT GPCR 家族的序列比较显示，正构结合口袋中的残基保守程度明显高于扩展结合口袋。5-HT₁B/ERG 与 5-HT₂B/ERG 晶体结构的叠合也显示，两种受体深部正构位点的总体几何和关键相互作用高度相似。[2]

         这种保守性与受体对共同内源性配体 5-HT 的识别相对应。Asp³·³²、Thr³·³⁷ 以及围绕芳香核心的疏水区域在不同 5-HT 亚型中保持相近的空间关系，因此色胺样核心可以在多个受体亚型中建立相似的基础结合模式。

         靠近胞外入口的扩展结合口袋（extended binding pocket）保守程度较低。配体从正构位点继续向这一方向延伸后，会接触在不同亚型之间差异较大的螺旋区域和氨基酸侧链。曲坦的C5取代正处于这一结构过渡区域。[2]

3. 5-HT₁B 与 5-HT₂B 的扩展口袋存在明显几何差异

3.1 5-HT₁B 的跨膜螺旋 V 胞外端更向外开放

         5-HT₁B/ERG 与 5-HT₂B/ERG 晶体结构比较显示，5-HT₁B 跨膜螺旋 V 的胞外端相对于 5-HT₂B 向外偏移约 3.0 Å。该距离由 5-HT₁B 的 Thr209⁵·³⁹ 与 5-HT₂B 的 Met218⁵·³⁹ 的 Cα 原子位置测得。[2]

         这一位移发生在正构口袋上方，使 5-HT₁B 靠近胞外入口的结合空间明显宽于 5-HT₂B。

3.2 Thr209⁵·³⁹ 与 Met218⁵·³⁹ 进一步改变可用空间

两个受体在 5.39 位还存在侧链体积差异：

         5-HT₁B：Thr209⁵·³⁹

         5-HT₂B：Met218⁵·³⁹

         5-HT₁B 的 Thr 侧链较小；5-HT₂B 的 Met 侧链体积较大，并进一步伸入配体结合区域。跨膜螺旋 V 的位置变化与 5.39 位残基大小共同形成了较开放的 5-HT₁B 扩展口袋和较狭窄的 5-HT₂B 扩展口袋。[2]

         这些差异位于吲哚 C5 取代基能够到达的空间范围内，为曲坦识别受体亚型提供了结构基础。

         分子动力学模拟进一步显示，麦角胺在5-HT₁B和5-HT₂B受体中的配体—受体接触存在局部差异：5-HT₁B中W⁶·⁴⁸与麦角胺的接触频率较高，而5-HT₂B中麦角胺与跨膜螺旋V的接触增强，其中包括M⁵·³⁹。[5]

图1 麦角胺在5-HT₁B与5-HT₂B受体结合口袋中的差异性接触。

         上图显示麦角胺在5-HT₁B和5-HT₂B受体结合口袋中的主要接触残基；下图显示分子动力学模拟过程中麦角胺与相应残基的接触频率。紫色标示两种受体之间具有差异的配体—受体接触；5-HT₁B中W⁶·⁴⁸与麦角胺的接触频率较高，而5-HT₂B中麦角胺与跨膜螺旋V的接触增强，其中包括M⁵·³⁹。[5] 引自 Martí-Solano 等，PLOS ONE, 2014, Figure S1，CC BY 4.0。

4. C5 取代将口袋几何差异转化为曲坦选择性

4.1 舒马曲坦C5取代基进入跨膜螺旋V附近区域

         5HT的C5位仅带一个羟基，而舒马曲坦在相应位置连接体积更大的含磺酰胺结构。其吲哚-乙胺核心仍可进入深部正构口袋，C5取代部分则继续向跨膜螺旋V和扩展结合口袋方向伸展。

         基于5HT₁B和5HT₂B受体晶体结构进行的分子对接显示，舒马曲坦能够较好地容纳于5HT₁B结合腔；在5HT₂B中，Met218⁵·³⁹造成的空间位阻使其磺酰胺基团重新取向，并伴随吲哚核心位置偏移。[2]

         2013年相关研究获得了5HT₁B/ERG、5HT₁B/DHE和5HT₂B/ERG复合物的实验结构。[2,3] 舒马曲坦在两个受体中的具体结合姿态则来自以这些结构为基础的分子对接，曲坦功能实验和受体突变结果进一步支持了这一空间模型。[2]

4.2 Met218⁵·³⁹突变验证扩展口袋空间对曲坦效力的影响

         Wang 等在多种曲坦类化合物的功能实验中发现，多尼曲普坦（donitriptan）和依来曲普坦（eletriptan）在 5-HT₂B 受体的 Gq 蛋白介导信号中表现出相对较高的效力。二者在吲哚环 5 位具有较长、较柔性的连接部分，能够通过构象调整适应 5-HT₂B 较狭窄的扩展结合口袋。[2]

         将 5-HT₂B 受体的 Met218⁵·³⁹（甲硫氨酸）突变为 Ala（丙氨酸）后，该位置的侧链体积减小，结合口袋的可用空间增加，多尼曲普坦和依来曲普坦在 5-HT₂B 受体上的功能效力均显著提高，但仍低于二者在 5-HT₁B 受体上的效力。[2]

         这一结果表明，5.39 位附近的空间容纳能力是影响曲坦类配体亚型选择性的结构因素之一。较大的 Met218⁵·³⁹ 限制部分曲坦在 5-HT₂B 扩展结合口袋中的有利构象，而减小该位置的侧链体积能够部分解除这种空间限制。[2]

5. C5取代效应受体积、延伸距离与构象柔性共同影响

         曲坦C5取代效应不能简单理解为“取代基越大，5HT₁B选择性越高”。在吲哚-乙胺核心受到正构口袋定向锚定后，C5取代基的体积影响其在5.39位附近的空间占据，连接部分的长度影响末端基团能够到达的扩展口袋区域，而构象柔性则影响取代基能否通过重新取向适应局部空间限制。[2]

         构象柔性可能产生双重影响：它既可帮助配体适应目标受体的扩展口袋，也可能提高其对非目标受体的适应能力。多尼曲普坦和依来曲普坦具有较长、较柔性的连接部分，并在5HT₂B中保留了相对较高的功能效力；M218⁵·³⁹A突变进一步提高二者效力，也说明局部空间与取代基构象适配密切相关。[2] 因此，C5位优化既要利用5HT₁B中的有利容纳，也要评估连接部分的长度和柔性是否同时提高配体对5HT₂B扩展口袋的适应能力。

6. 5HT₁B/5HT₂B双结构支持靶点—非靶点协同筛选

         2014年Rodríguez等进一步利用5HT₁B和5HT₂B晶体结构开展结构基础虚拟筛选。研究将约130万个化合物分别对接到两个受体，并同时比较其预测结合模式和评分。22个候选分子被选出进行实验检测，其中11个能够结合5HT₁B，9个对5HT₁B相对于5HT₂B表现出超过5倍的选择性；选择性最高的化合物达到约306倍。[4]

         同一研究还比较了受体晶体结构与高质量同源模型。虽然所用同源模型总体准确度较高，却没有充分重现决定5HT₁B/5HT₂B选择性的细微结构特征，因而难以达到晶体结构在选择性预测中的效果。[4]

         这一结果与曲坦C5位构效关系指向相同的设计原则：目标受体中的有利结合与非目标受体中的不利空间匹配可以同时用于建立选择性。对高度同源的GPCR亚型而言，数埃尺度的螺旋位移和单个残基侧链体积差异即可改变配体的空间容纳、结合构象和药理谱。

7. 从血清素到曲坦的结构—选择性关系

         5-HT₁B/5-HT₂B 的配体识别可以分为两个相互衔接的结构层次。

         深部正构口袋中，质子化胺与 Asp³·³² 形成离子锚点，吲哚 N–H 与 Thr³·³⁷ 建立定向氢键，吲哚芳香体系与跨膜螺旋 V 附近较低极性的区域匹配。这些高度保守的相互作用维持色胺类配体的共同受体识别。[2]

         靠近胞外侧的扩展结合区域在亚型之间差异更大。5-HT₁B 跨膜螺旋 V 胞外端向外偏移约 3 Å，并具有较小的 Thr209⁵·³⁹；5-HT₂B 相应位置由体积较大的 Met218⁵·³⁹ 占据。曲坦 C5 取代基向这一非保守区域延伸后，两个受体的细微结构差异被转化为明显不同的配体容纳能力。[2]

         吲哚-乙胺核心提供稳定的正构识别，C5 取代结构读取扩展口袋的亚型差异。 取代基的体积、长度、伸展方向和柔性共同决定这一差异能否转化为有效的受体选择性。5-HT₁B/5-HT₂B 的结构研究由此建立了一条清晰的药物设计路径：在保留必要正构药效团的基础上，将可调取代结构延伸至序列和几何差异更大的外围口袋，并同时评价其在目标受体与重要非目标受体中的空间匹配。

8. 相关代表性化学品与药理探针

表1. 吲哚-色胺基础骨架、内源性配体及取代效应研究化合物

表2. 曲坦类C5取代、盐型及麦角类结构生物学研究化合物

表3. 5-HT₁B/5-HT₂B亚型选择性研究药理探针

         注：以上为阿拉丁代表性科研相关产品，具体用途应结合产品规格、批次COA及目标反应或评价体系确定。更多产品规格、级别和COA信息可用“品名/CAS/货号”在阿拉丁官网检索。

参考文献

[1] Peroutka, S. J.; McCarthy, B. G. Sumatriptan (GR 43175) Interacts Selectively with 5-HT1B and 5-HT1D Binding Sites. European Journal of Pharmacology, 1989, 163(1), 133–136. DOI: 10.1016/0014-2999(89)90406-8.

[2] Wang, C.; Jiang, Y.; Ma, J.; et al. Structural Basis for Molecular Recognition at Serotonin Receptors. Science, 2013, 340(6132), 610–614. DOI: 10.1126/science.1232807.

[3] Wacker, D.; Wang, C.; Katritch, V.; et al. Structural Features for Functional Selectivity at Serotonin Receptors. Science, 2013, 340(6132), 615–619. DOI: 10.1126/science.1232808.

[4] Rodríguez, D.; Brea, J.; Loza, M. I.; Carlsson, J. Structure-Based Discovery of Selective Serotonin 5-HT1B Receptor Ligands. Structure, 2014, 22(8), 1140–1151. DOI: 10.1016/j.str.2014.05.017.

[5] Martí-Solano, M.; Sanz, F.; Pastor, M.; Selent, J. A Dynamic View of Molecular Switch Behavior at Serotonin Receptors: Implications for Functional Selectivity. PLOS ONE, 2014, 9(10), e109312. DOI: 10.1371/journal.pone.0109312.

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