解構G蛋白質耦合受體的活化狀態

科學新聞由SciScape提供

鑲嵌於細胞膜上的G蛋白質耦合受體 (G-protein-coupled receptors, GPCRs) 是自然界中最廣泛運用的訊息傳遞路徑，也是三分之一至二分之一現代藥物的標靶。由美國加州大學聖地牙哥分校、密西根大學及史丹福大學領軍的三個國際科學研究團隊，連續在《美國國家科學院院刊》及《自然》雜誌發表了三篇論文，以前所未見的細緻解析度描繪了G蛋白質耦合受體的結構及活化狀態。

G蛋白質耦合受體對人類生活極為重要，參與了幾乎每一項生理功能。位於細胞膜上，此類受體偵測抵達細胞表面的荷爾蒙、神經傳導化學物質、氣味與其他訊息分子，然後活化細胞內的G蛋白質，進而誘發影響知覺、行為、以及諸如心跳速率和血壓等基礎功能的下游事件。這些訊息傳導途徑若出現功能異常，則會導致糖尿病、視覺障礙、氣喘、憂鬱症及特定癌症等數十種疾病。

『八百餘種已知的G蛋白質耦合受體執行著難以置信的多樣化任務，因此它們被廣泛認為是最重要的新藥標靶；』加州大學聖地牙哥分校醫學院教授、其中兩篇論文的共同作者Virgil Woods Jr.醫師說。『但是它們向來難以研究。我們始終無法妥善掌握它們的確切結構和功能。許多藥物針對G蛋白質耦合受體而設計，然而它們是隨機散漫的。直到最近，我們總算在亞分子層級瞭解G蛋白質耦合受體如何實際運作。』這三篇高度互補的論文長足地彌補了先前缺失。

密西根大學醫學院藥理學副教授、此三篇論文的共同作者Roger K. Sunahara博士認為這是相當大的進步。『我們已經知道G蛋白質耦合受體訊息傳導途徑某些元素的模樣一段時日了，然而還不明白受體實際上如何活化G蛋白質。這幾篇論文描述了此過程，同時為其它受體-G蛋白質複合體提供模型，讓科學家可以用新模板來設計嶄新且更有效的藥物。』

第一篇《自然》雜誌論文的作者為Sunahara博士、史丹福大學分子暨細胞生理學系系主任Brian K. Kobilka教授和來自威斯康辛、密西根、加州、丹麥、比利時與冰島的同僚，他們解開了Beta-2腎上腺素受體-G蛋白質複合體的X光繞射晶體結構。此結構展現出全新構型，揭示了蛋白質活化時如何改變形狀，更為後繼研究奠下基石。但是高解析度的結晶學有其限制─僅能呈現受體與G蛋白質動態交互作用的單一畫面。

第二篇《自然》雜誌論文以氫氘互換質譜學 (hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry, DXMS) 突破了上述限制。此創新的蛋白質分析技術由加州大學聖地牙哥分校所研發，讓研究人員能在蛋白質的自然含水環境下觀察蛋白質活化時的形狀變化。『基本上，你藉由加入活化藥物迫使受體和G蛋白質進行它們的活化循環，並以氫氘互換質譜學技術產生蛋白質如何隨時間改變構型的圖像。』Woods醫師說：『運用氫氘互換質譜學，你可以辨別任何時間點蛋白質的移動狀況；它揭露了蛋白質的動態及行為。』

第三篇《美國國家科學院院刊》論文以密西根大學醫學院的Georgios Skiniotis為共同作者，文中描述單粒子電子顯微鏡學 (single particle electron microscopy, EM) 直接呈現的Beta-2腎上腺素受體-G蛋白質複合體之3維重建結構。『這是首度用此技術觀測如此微小的膜蛋白質複合體結構，』史丹福大學的Kobilka教授說：『此電顯結構事實上是我們擁有的第一張複合體圖像。比晶體結構的解析度低，它提供了G蛋白質動態及彈性特徵的重要資訊。這個資訊引導了我們獲取晶體結構的方向。』

透徹了解G蛋白質耦合受體如何與G蛋白質相互作用，將能改善相關藥物的作用，並提供前所未知的治療標靶。但Woods醫師指出進展可延伸得更遠：『這是一個原型 (prototype) 複合體。數以百計的相關蛋白質複合體和各式疾病進程有關。我們正在加州大學聖地牙哥分校研發下一代的氫氘互換質譜學分析，希望可以讓G蛋白質耦合受體領域的研究人員毫無障礙地運用這個卓越技術。』

原始論文：

1. Søren G. F. Rasmussen, Brian T. DeVree, Yaozhong Zou, Andrew C. Kruse, Ka Young Chung, Tong Sun Kobilka, Foon Sun Thian, Pil Seok Chae, Els Pardon, Diane Calinski, Jesper M. Mathiesen, Syed
   T. A. Shah, Joseph A. Lyons, Martin Caffrey, Samuel H. Gellman, Jan Steyaert, Georgios Skiniotis, William I. Weis, Roger K. Sunahara, Brian K. Kobilka. Crystal structure of the β2 adrenergic
   receptor–Gs protein complex. Nature, 2011; 477 (7366): 549 DOI: 10.1038/nature10361
2. Ka Young Chung, Søren G. F., Rasmussen, Tong Liu, Sheng Li, Brian T. DeVree, Pil Seok Chae, Diane Calinski, Brian K. Kobilka, Virgil L. Woods, Roger K. Sunahara. Conformational changes in the G
   protein Gs induced by the β2 adrenergic receptor. Nature, 2011; 477 (7366): 611 DOI:10.1038/nature10488
3. G. H. Westfield, S. G. F. Rasmussen, M. Su, S. Dutta, B. T. DeVree, K. Y. Chung, D. Calinski, G.
   Velez-Ruiz, A. N. Oleskie, E. Pardon, P. S. Chae, T. Liu, S. Li, V. L. Woods, J. Steyaert, B. K. Kobilka, R. K. Sunahara, G. Skiniotis. Structural flexibility of the Gαs α-helical domain in the β2-adrenoceptor Gs complex. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011; 108 (38): 16086 DOI: 10.1073/pnas.1113645108

原始報導出處：Science Daily