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中外科學(xué)家用最強(qiáng)激光照亮人體未知信號(hào)通路

2015-07-23 09:30:30

來(lái)源:人民網(wǎng)-科技頻道 原創(chuàng)稿

人民網(wǎng)北京7月22日電(趙竹青)記者從中國(guó)科學(xué)院獲悉,中科院上海藥物研究所徐華強(qiáng)研究員領(lǐng)銜國(guó)際上28個(gè)實(shí)驗(yàn)室組成的交叉團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)聯(lián)合攻關(guān),利用世界上最強(qiáng)X射線激光,成功解析視紫紅質(zhì)(Rhodopsin)與阻遏蛋白(Arrestin)復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu),攻克了細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)領(lǐng)域的重大科學(xué)難題。該項(xiàng)突破性成果7月22日以長(zhǎng)文形式在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)雜志上。

2012年,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給美國(guó)科學(xué)家羅伯特·萊夫科維茨和布萊恩·科比爾卡,以表彰他們?cè)贕-蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptor, GPCR)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域做出的重要貢獻(xiàn)。他們的研究成果揭開了人體信息交流系統(tǒng)的秘密,即身體如何感知外部世界,并將信息通過(guò)下游G-蛋白發(fā)送到細(xì)胞,具有劃時(shí)代意義。然而,GPCR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域還有一個(gè)重大問題懸而未決,即GPCR如何激活另一條信號(hào)通路——阻遏蛋白(Arrestin)信號(hào)通路,該難題一直困擾著世界結(jié)構(gòu)生物學(xué)科學(xué)家。

G-蛋白和阻遏蛋白構(gòu)成了GPCR下游的兩條主要信號(hào)通路。“在調(diào)節(jié)GPCR功能過(guò)程中,阻遏蛋白和G-蛋白分別扮演陰和陽(yáng)的角色”,徐華強(qiáng)研究員介紹說(shuō),即GPCR能激活G-蛋白的信號(hào)通路,而阻遏蛋白會(huì)識(shí)別被激活的GPCR并使其內(nèi)吞到細(xì)胞內(nèi)脫敏,進(jìn)而阻止G-蛋白向下游傳遞信號(hào)。近年來(lái)的研究表明,阻遏蛋白還能夠作為獨(dú)立的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白,廣泛參與多種細(xì)胞生理活動(dòng),調(diào)節(jié)與G-蛋白通路不同的生理功能,比如人體感官功能和神經(jīng)活動(dòng)。

對(duì)于GPCR這一類膜蛋白來(lái)說(shuō),要得到晶體已經(jīng)非常困難,而獲得GPCR與阻遏蛋白復(fù)合物的晶體則“難上加難”。在過(guò)去的十年間,徐華強(qiáng)研究員所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)一直致力于解析視紫紅質(zhì)(Rhodopsin)和阻遏蛋白復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)。視紫紅質(zhì)是一個(gè)經(jīng)典的GPCR,可以感應(yīng)到光信號(hào),激活視覺功能。

最大的挑戰(zhàn)來(lái)自獲得的復(fù)合物晶體形態(tài)較小,未能達(dá)到同步輻射光源所適合的尺寸,很難獲得高分辨率的圖像。在交叉團(tuán)隊(duì)的緊密配合下,研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用了比傳統(tǒng)同步輻射光源強(qiáng)萬(wàn)億倍的世界上最亮的X射線——自由電子激光(x-ray free-electron laser, XFEL)技術(shù),用較小的晶體得到了高分辨率的視紫紅質(zhì)-阻遏蛋白復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)。該三維結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了阻遏蛋白與GPCR的結(jié)合模式,與G-蛋白與GPCR相互作用截然不同,為深入理解GPCR下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路奠定了重要基礎(chǔ)。該結(jié)構(gòu)也是運(yùn)用XFEL技術(shù)獲得的首個(gè)蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu),展示了XFEL技術(shù)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的強(qiáng)大應(yīng)用前景,將對(duì)蛋白晶體結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的研究帶來(lái)顛覆性變革。

該研究不僅解決了世界級(jí)的科學(xué)難題,同時(shí)為開發(fā)選擇性更高的藥物奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。徐華強(qiáng)解釋說(shuō),“GPCR是目前最成功的藥物靶標(biāo),迄今40%左右的上市藥物是以GPCR為靶點(diǎn)。在藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域,對(duì)靶蛋白結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的理解認(rèn)識(shí)越深刻,開發(fā)出高效低毒藥物的幾率越大。”因此,選擇性靶向其中一條信號(hào)通路的藥物,也就是激活或抑制G-蛋白或阻遏蛋白信號(hào)通路,可能具有更好的療效并有效降低毒副作用。

“這個(gè)研究項(xiàng)目面臨了艱巨的挑戰(zhàn),最終在全世界眾多研究機(jī)構(gòu)的多領(lǐng)域?qū)<业暮献飨峦瓿伞保烊A強(qiáng)研究員說(shuō)。“X射線自由電子激光技術(shù)為未來(lái)解決更具挑戰(zhàn)性的蛋白質(zhì)科學(xué)難題開啟了新思路。”

“徐華強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)的研究成果對(duì)理解GPCR功能具有重大意義,”來(lái)自托馬斯杰弗遜大學(xué)的GPCR領(lǐng)域?qū)<襃effrey Benovic博士認(rèn)為。“視紫紅質(zhì)和阻遏蛋白復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)有助于人們理解GPCR的脫敏過(guò)程,并為未來(lái)解析更多的GPCR復(fù)合物提供了新思路”。

這個(gè)項(xiàng)目由徐華強(qiáng)和美國(guó)溫安洛研究所Karsten Melcher合作主導(dǎo)完成。項(xiàng)目合作機(jī)構(gòu)遍布全球,包括中科院上海藥物所蔣華良與趙英明、上海科技大學(xué)Ray Stevens、美國(guó)南加州大學(xué)Vadim Cherozov以及其他60余名科學(xué)家分別來(lái)自于斯坦福大學(xué)同步輻射光源結(jié)構(gòu)基因組學(xué)聯(lián)合中心,SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室,亞利桑那州立大學(xué),南加州大學(xué),加州大學(xué)洛杉磯分校,德國(guó)Desy自由電子激光科學(xué)中心,新加坡大學(xué),紐約XFEL結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心,斯克利普斯研究所,加拿大多倫多大學(xué),范德堡大學(xué),NSF科學(xué)技術(shù)中心威斯康辛大學(xué)密爾沃基分校,瑞士保羅謝爾研究所,愛爾蘭都柏林圣三一學(xué)院,芝加哥大學(xué),德國(guó)康斯坦茨大學(xué)和德國(guó)漢堡超速成像中心等。

該研究除國(guó)際項(xiàng)目支持外,還獲得國(guó)家“重大新藥創(chuàng)制”重大專項(xiàng)、973、先導(dǎo)專項(xiàng)、上海市科委等基金的資助。

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