大腦中一種作用最快的蛋白質(zhì)的突破性圖像提供了關(guān)鍵線索，可能會(huì)導(dǎo)致治療癲癇和其他腦部疾病的靶向療法的發(fā)展。大腦中紅藻氨酸鹽受體（kainate receptor）的閃電般快速移動(dòng)對(duì)于神經(jīng)元間的交流是必不可少的，但這給試圖捕捉這種受體活動(dòng)圖像的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家?guī)?lái)了一個(gè)難題。
當(dāng)被激活時(shí)，嵌入神經(jīng)元表面的kainate受體打開(kāi)離子通道，然后在幾毫秒內(nèi)關(guān)閉通道。
“這是結(jié)構(gòu)生物學(xué)家的關(guān)鍵問(wèn)題:你必須在通道關(guān)閉之前凍結(jié)這些分子，”哥倫比亞大學(xué)瓦格洛斯內(nèi)外科醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)和分子生物物理學(xué)副教授Alexander Sobolevsky說(shuō)，他領(lǐng)導(dǎo)了獲得新圖像的團(tuán)隊(duì)。
“但凍結(jié)一個(gè)分子大約需要30秒，這太慢了。”
這并不是說(shuō)結(jié)構(gòu)生物學(xué)家——獲取圖像并建立生命分子模型的科學(xué)家——沒(méi)有嘗試過(guò)。
紅藻氨酸鹽受體的功能障礙與癲癇有關(guān)，并與許多其他腦部疾病有關(guān)，包括抑郁癥、焦慮癥和自閉癥。對(duì)于藥物開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)理想的靶點(diǎn)，但只有少數(shù)批準(zhǔn)的藥物可以安全地靶向這種受體。
Sobolevsky說(shuō):“每個(gè)人都在試圖獲得受體活動(dòng)的圖像，這樣我們就能了解它是如何工作的，并設(shè)計(jì)出控制它的藥物。”
兩項(xiàng)創(chuàng)新的成功
“捕捉活性受體的圖像是一個(gè)長(zhǎng)期存在的科學(xué)問(wèn)題，我們一直試圖解決這個(gè)問(wèn)題，”Sobolevsky實(shí)驗(yàn)室的副研究科學(xué)家Shanti Pal Gangwar說(shuō)。通道在激活過(guò)程中保持開(kāi)放的時(shí)間，只有幾毫秒，對(duì)于用冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)對(duì)受體進(jìn)行常規(guī)冷凍來(lái)說(shuō)太短了。冷凍電子顯微鏡是Sobolevsky實(shí)驗(yàn)室用來(lái)成像生命分子的結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù)。
為了獲得受體活動(dòng)的圖像，Sobolevsky團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了兩種不同的技巧來(lái)減緩?fù)ǖ狸P(guān)閉和加速凍結(jié)過(guò)程。
首先，研究小組尋找粘附在受體上并保持其開(kāi)放的分子。他們發(fā)現(xiàn)了兩種這樣的分子——BPAM和凝集素Concanavalin A。類似藥物的小分子BPAM將通道的打開(kāi)時(shí)間延長(zhǎng)了幾百毫秒，但這種延遲仍然不足以使通道處于打開(kāi)狀態(tài)。只有在加入凝集素(一種與糖蛋白修飾的糖結(jié)合的蛋白質(zhì))之后，通道才會(huì)保持開(kāi)放幾秒鐘。
電生理記錄是確定時(shí)間的關(guān)鍵。“通過(guò)這些記錄，我發(fā)現(xiàn)單靠BPAM或凝集素?zé)o法使通道保持足夠長(zhǎng)的開(kāi)放時(shí)間，”Sobolevsky實(shí)驗(yàn)室的副研究員、電生理學(xué)專家Maria Yelshanskaya說(shuō)。“當(dāng)我看到BPAM和凝集素的協(xié)同效應(yīng)時(shí)，我們就像找到了靈感。”
對(duì)于傳統(tǒng)的冷凍電鏡冷凍來(lái)說(shuō)，幾秒鐘的時(shí)間還是太快了。傳統(tǒng)的冷凍電鏡冷凍需要大約30秒的時(shí)間將樣品放入液態(tài)乙烷中，并為成像做好準(zhǔn)備。因此，Sobolevsky實(shí)驗(yàn)室的博士后研究科學(xué)家Kirill Nadezhdin設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)器人柱塞，可以在不到3秒的時(shí)間內(nèi)浸泡樣品，將受體(與BPAM和凝集素結(jié)合)困在開(kāi)放狀態(tài)。
借助機(jī)器人柱塞和分子穩(wěn)定劑，Sobolevsky的團(tuán)隊(duì)捕捉到了各種開(kāi)放構(gòu)型的kainate受體的圖像。
“這兩項(xiàng)創(chuàng)新都是必要的，”Sobolevsky說(shuō)。“我們不可能只用一種或另一種來(lái)捕捉受體的開(kāi)放狀態(tài)。”
圖像為新藥提供線索
開(kāi)放kainate受體的圖像為藥物開(kāi)發(fā)人員提供了關(guān)鍵信息。
一些藥物，離子通道阻滯劑，就像酒瓶里的軟木塞一樣，堵塞了開(kāi)放的通道。Sobolevsky說(shuō):“你需要一個(gè)開(kāi)放通道的結(jié)構(gòu)來(lái)制造一種完美的、原子與原子之間的契合的藥物。”
這些圖像還顯示了perampanel(一種以kainate受體為靶點(diǎn)的癲癇藥物)如何被優(yōu)化為針對(duì)特定版本的kainate受體，并為患者提供更精確的藥物。合作者們已經(jīng)在利用Sobolevsky的實(shí)驗(yàn)室圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)建模來(lái)探索這種藥物可能發(fā)生的變化。
Sobolevsky團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的方法應(yīng)該可以幫助其他研究人員獲得更多的開(kāi)放kainate受體和其他類型的快速工作分子的圖像。
Sobolevsky說(shuō):“我們擁有的圖像越多，模型就會(huì)越好，我們的藥物也會(huì)越好。”
Kainate receptor channel opening and gating mechanism
（文章來(lái)源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-6/20240618065733241.htm） | 
