揭示蛋白A2aAR的结构细节,有助开发出更好的药物

2018-01-03 绿谷生物 Cell
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 一种被称作A2A腺苷受体(A2A adenosine receptor, A2aAR)的蛋白是G蛋白偶联受体(GPCR)家族的成员。在所有被批准的药物中,大约40%的作用靶标是GPCR。

所有人细胞都含有A2aAR和其他的嵌入到细胞膜中的GPCR。在人体内已发现800多种GPCR,每种GPCR都有调节身体功能的作用。比如,A2aAR调节血流和炎症,并介导咖啡因的作用。A2aAR是一种治疗帕金森病的靶标,而且也是一种治疗癌症的相对较新的靶标。

在之前的研究中,科学家们利用一种被称作X射线衍射晶体分析技术的成像技术确定A2aAR的三维结构。这些结构图已表明A2aAR看起来像是一条在细胞膜上交叉在一起的链条,并且在面向细胞外的一侧具有开口。这种GPCR结构中的从细胞膜伸出去的区域与药物和其他的分子相互作用,从而给细胞内的搭档蛋白传递信号。

尽管晶体结构给A2aAR在非活性状态下和活性状态下的形状提供了至关重要的轮廓,但是它们并不能够显示当这种受体遇到新的结合伴侣(如候选药物)时,它的运动和结构上的变化。简而言之,人们需要研究A2aAR为何和如何发挥作用。

为了解决这个问题,在一项新的研究中,来自美国斯克里普斯研究所的研究人员采用了一种被称作核磁共振光谱学(nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR)的技术,观察了在很多不同构象下的A2aAR,从而为在对药物作出的反应中,它如何在人细胞表面上改变它的形状提供了新的认识。相关研究结果于2017年12月28日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“Allosteric Coupling of Drug Binding and Intracellular Signaling in the A2A Adenosine Receptor”。论文通信作者为斯克里普斯研究所结构生物学教授Kurt Wüthrich博士。论文第一作者为斯克里普斯研究所的Matthew Eddy博士。

图片来自Cell,doi:10.1016/j.cell.2017.12.004。 

NMR产生较强的磁场,用于确定探针在样品中的位置。利用NMR,人们能够确定蛋白的结构,并且研究在生理温度下,它们在溶液中的动力学性质---它们存在于人体中的方式。

重要的是,NMR让这些研究人员可视化观察A2aAR内部结构的变化。这便超越了之前的溶液NMR研究,这是因为这些之前的研究着重关注对附着到GPCR的柔韧部分(大部分位于这种受体的表面上或附近)上的探针进行粗略地观察。这项新研究中所采用的方法能够让他们追踪药物结合到A2aAR的胞外结构域上对这种受体的蛋白结构变化和胞内结构域动力学性质的影响。

重新思考我们如何设计药物

A2aAR结构中的两个细节让这些研究人员对未来开发的药物如何可能操纵这种受体产生新的认识。一个关键的发现是替换这种受体中心的一个特定的氨基酸破坏了它将信号发送到细胞中的能力。

这些研究人员也揭示出A2aAR中的一个“切换开关(toggle switch)”的活性。之前的研究已提示着A2aAR中的一个色氨酸依据A2aAR的活性上下翻转。利用NMR,他们直接观察到这个独特的色氨酸,这是因为在对不同的药物作出的反应中,它改变它的取向。化学家们可能潜在地对药物进行修饰以便操纵这个切换开关和控制A2aAR信号。

这些研究人员强调这项新研究可能与GPCR家族的大多数成员有关。事实上,这项研究取得的结构细节可能适用于我们的身体中的600多种A类GPCR。

参考资料:

Matthew T. Eddy, Ming-Yue Lee, Zhan-Guo Gao et al. Allosteric Coupling of Drug Binding and Intracellular Signaling in the A2A Adenosine Receptor. Cell, Published online: December 28, 2017, doi:10.1016/j.cell.2017.12.004