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      浙大學者打開大腦“冷靜”機制的大門

      發布時間:2020-06-29來源:浙大新聞辦作者:柯溢能 盧紹慶41

      G蛋白偶聯受體(GPCR)是一類具有七次跨膜螺旋的膜受體蛋白,幾乎參與了所有生理和病理過程。作為重要的藥物靶點,目前近40%的藥物通過GPCR發揮藥效。代謝型γ—氨基丁酸受體(GABAB)是哺乳動物中樞神經系統中最重要的抑制性神經遞質受體,參與大腦冷靜的調控,其失調導致了癲癇、焦慮、抑郁、精神分裂等在內的眾多神經和精神疾病。

      然而靶向藥物的發現困難重重,其主要原因在于候選藥物無法精準識別GABAB受體,容易產生脫靶效應,從而達不到預期效果并帶來不良副作用。而由于目前缺少C型GPCR高分辨的三維結構,為高特異性的藥物篩選以及設計帶來了巨大的挑戰。

      近日,浙江大學基礎醫學院生物物理學系、醫學院附屬邵逸夫醫院、教育部腦與腦機融合前沿科學中心以及浙江省免疫與炎癥疾病重點實驗室張巖研究員課題組與華中科技大學生命科學與技術學院劉劍峰課題組聯合在國際知名期刊《細胞研究》(Cell Research)上發表封面工作,首次報道了人源全長異源二聚體GABAB受體的多種狀態的精細三維空間結構,該發現闡明了GABAB受體的激活機制,揭示了受體正向變構調節劑的新穎結合口袋。該研究成果為基于結構的藥物設計提供了解析度最高的模板,為今后靶向GABAB受體的藥物研發奠定了重要基礎。

      浙江大學基礎醫學院博士后毛春友、浙大-華科大聯合培養博士生申倉松為共同第一作者,張巖研究員和劉劍峰教授為本論文共同通訊作者。本研究使用蛋白質樣品均在浙江大學醫學院蛋白質平臺制備;電鏡數據在浙江大學冷凍電鏡中心收集。


      不是一家人不進一家門

      藥物信號是如何通過G蛋白偶聯受體傳遞的呢?

      人體好比是一座大廈,細胞就是大廈里面的房間,那么GPCR受體就是各類大門用來溝通信息,G蛋白三聚體就像幸福的一家人,只有拿到正確的鑰匙(GPCR的調節劑)之后,才能走進家門過著豐富多彩的生活。在體內有很多類似的門,細胞通過不同的“門”接受不同的外界信息,發揮不同的作用。

      作為人體總指揮官的大腦需要保持適當的興奮度。如果過于興奮或者低落,就會產生不良后果。那么如何讓大腦保持適當興奮呢?其中GABAB受體這個門通過傳遞重要抑制性神經遞質信號,使其與興奮信號進行有效“中和”從而使大腦保持適度“冷靜”。

      浙大科研人員通過冷凍電鏡技術成功解析GABAB受體在非激活狀態和激活狀態復合物的高分辨結構,發現GABAB受體與其他GPCR家族受體以單體形式(單扇門)存在不同,它是由兩扇門組成并且協同發揮作用的。一扇門上負責接收外界刺激信號,然后再通過另一扇門將外界信號傳向細胞內。

      張巖帶領課題組還意外地發現,GABAB受體這扇門的底部有一個特定的門洞?!斑@樣的門洞在一些家庭很常見,方便寵物進出,也方便信件投遞?!边@個特征,能夠讓藥物一“眼”認準GABAB受體。


      大數據加快特定鑰匙的鑒定

      找到了門的特征,不知道如何開門依舊影響信號的傳輸。

      論文第一作者、醫學院博士后毛春友說:“這就好比一扇上鎖的門,你需要從已有的成千上萬的鑰匙中找到特定的鑰匙去打開這個門,這個工程量是巨大的,需要耗費大量的時間金錢進行測試。但是如果我給你展示門鎖的鎖芯構造,這樣你就能推測出來鑰匙的形狀特征,就不用一一測試了?!?/p>

      申倉松補充道:“非常自豪我們解析的結構分辨率在國際上首屈一指??茖W家可根據高精度的結構設計改造獲得高特異性的藥物候選分子,也可以通過計算機輔助的虛擬藥物篩選獲得相關的候選藥物?!?/p>

      代謝型GABAB受體激活機制的結構基礎

      浙大科研人員揭示了新穎的G蛋白偶聯受體激活機制,他們發現左邊的門接到上游藥物信號,然后通過右邊的門傳向下游。這一過程就像兩個人跳舞,一人傾轉帶動隊友傾轉,發生連鎖反應。

      張巖表示,課題組發現GABAB全新的并且是特異的門鎖結構,其意義在于未來可通過計算機輔助的方式進行藥物篩選,加速藥物發現,快速找到特定的鑰匙。


      結構藥理學前景廣泛

      對于當前研究,張巖認為結構藥理學具有廣闊的應用前景。

      當前,新型冠狀病毒在全球肆虐,對人類的生命健康造成重大危機。RNA聚合酶是新冠病毒完成自我復制和迅速傳染的關鍵蛋白質機器,也是瑞德西韋等核苷類藥物的作用靶點。

      4月初,張巖課題組聯合中國科學院上海藥物研究所徐華強、許葉春課題組和以及中國醫學科學院北京協和醫院-清華大學醫學院張抒揚課題組,率先在國際上成功解析了瑞德西韋(Remdesivir)與新型冠狀病毒復制機器RNA依賴性RNA聚合酶(RdRp)的冷凍電鏡三維空間結構,揭示了瑞德西韋抗病毒活性的結構基礎,為核苷類藥物的靶向藥物開發提供了精確的三維空間結構信息,其解析精度目前仍然在國際上獨占鰲頭,相關成果51日在線發表在《科學》雜志。

      瑞德西韋抑制新冠病毒活性的結構基礎

      張巖教授表示:“看清楚病重要蛋白質機器的三維空間結構,對下一階段精準設計治療效果好以及副作用小的藥物具有非常重要的意義?!?/p>

      (文 柯溢能/攝影 盧紹慶 科研圖片由課題組提供)

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