如何利用冷凍電鏡技術(shù)闡明主要藥物靶點之間的相互作用？

近日，一項刊登在雜志Nature上的研究報告中，來自美國癌癥研究所的科學(xué)家們通過研究對人體大型細(xì)胞通信網(wǎng)絡(luò)的兩大關(guān)鍵組分之間的相互作用進(jìn)行了直觀性地研究，該研究有望幫助研究人員開發(fā)出治療偏頭痛和癌癥等一系列疾病的副作用較小的療法。

文章中，研究人員利用了一種新型的原子分辨率成像技術(shù)揭示了，名為視紫紅質(zhì)的G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）能綁定到抑制性的G蛋白上，從而就為研究人員提供了一種藍(lán)圖，來設(shè)計高性的選擇藥物。研究者H. Eric Xu博士說道，闡明這種復(fù)合物的結(jié)構(gòu)有望開啟分析GPCR故事缺失的一章，從而就能揭示這兩種分子是如何以一種精細(xì)化地方式相互作用的。

生物學(xué)中的一切都是基于分子間的相互作用，因此關(guān)于兩種分子的結(jié)構(gòu)如何發(fā)揮作用，我們知道的越多，我們就越能掌握更多信息去改善并且開發(fā)副作用較小的藥物。如今研究人員的發(fā)現(xiàn)也基于使用了一種名為冷凍電鏡（cryo-EM）的技術(shù)，該技術(shù)能幫助科學(xué)家們更加清晰地觀察他們難以想象的分子。Sriram Subramaniam博士說道，利用冷凍電鏡技術(shù)獲得重要藥物靶點的結(jié)構(gòu)信息，比如多種狀態(tài)下的GPCRs，這就說明如今研究人員可以利用這些方法用來發(fā)現(xiàn)新藥物了。

但嵌入細(xì)胞膜中時，GPCRs就能夠扮演細(xì)胞和其周圍環(huán)境之間的導(dǎo)線，同G蛋白和其它信號分子（比如抑制蛋白類）相互作用，傳遞來自細(xì)胞中的信號，從而調(diào)節(jié)機(jī)體的各種生理功能，包括生長、免疫反應(yīng)和感官知覺。當(dāng)與GPCRs連接起來后，抑制性G蛋白就能夠調(diào)節(jié)次級化學(xué)信號的產(chǎn)生，從而對全身產(chǎn)生效應(yīng)，比如與大腦和腸道中的血清素受體相互作用來幫助調(diào)節(jié)機(jī)體的情緒和食欲；與大腦中的多巴胺受體相互作用，從而控制機(jī)體的獎懲反應(yīng)和隨意運動等。

這種與G蛋白和抑制蛋白類的廣泛相互作用，以及隨時能夠移動到細(xì)胞外部，就使得GPCRs能夠作為研究人員開發(fā)多種新型療法的潛在靶點，目前市場上有30%以上的藥物都是通過與GPCRs相互作用來發(fā)揮作用的。研究者Yanyong Kang博士指出，我們的研究發(fā)現(xiàn)能夠幫助我們設(shè)計出新一代的藥物，這項研究中我們闡明了GPCR抑制性G蛋白復(fù)合體的特殊結(jié)構(gòu)，而且我們相信這種方法能夠幫助我們有效描述難以可見的GPCRs的結(jié)構(gòu)。

研究人員所開發(fā)的3D成像技術(shù)揭示了，位于抑制性G蛋白末端的特殊螺旋能夠扮演一種結(jié)構(gòu)標(biāo)記，從而幫助像視網(wǎng)膜紫質(zhì)樣的GPCRs在抑制性G蛋白和另外一種激動型G蛋白之間進(jìn)行分化。2015年發(fā)表在Nature雜志上的一篇研究報告中，研究人員就描述了視網(wǎng)膜紫質(zhì)和抑制蛋白復(fù)合體的結(jié)構(gòu)；隨后2017年刊登在Cell雜志上的研究報告中，研究人員Xu就和其同事進(jìn)一步分析了視網(wǎng)膜紫質(zhì)和抑制蛋白復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，同時還闡明了一系列磷酸化編碼或能指導(dǎo)GPCR-抑制蛋白復(fù)合體的組裝。

利用傳統(tǒng)的x射線晶體學(xué)技術(shù)很難對GPCRs可視化，截止到目前為止，在超過800個GPCRs中研究人員僅確定了40個GPCRs的結(jié)構(gòu)，其中就包括研究者Xu發(fā)現(xiàn)的視網(wǎng)膜紫質(zhì)和抑制蛋白復(fù)合體。為了進(jìn)一步確定GPCRs的結(jié)構(gòu)，研究人員利用了高強(qiáng)度的冷凍電鏡技術(shù)對類似GPCRs等分子進(jìn)行了可視化的分析，后期研究人員還將利用這種技術(shù)進(jìn)行更高分辨率分析，包括多個臨床相關(guān)的配體蛋白復(fù)合體的結(jié)構(gòu)等。（生物谷）

參考資料：

【1】Cryo-EM reveals interaction between major drug targets

【2】Effects of a major drug target regulated through molecular “codes”

【3】Structural biology： Arresting developments in receptor signalling

Nature   

【4】Cryo-EM structure of human rhodopsin bound to an inhibitory G protein

Nature