Nature：利用smFRET成像技術揭示腎上腺素激活的G蛋白偶聯受體變化

Scott Blanchard和他的團隊利用他們開發出的這種基於相機的成像平台追蹤G蛋白偶聯受體（GPCR）如何對它們的環境作出應答。圖片來自 Dr. Daniel Terry/Weill Cornell Medicine。

2017年6月10日/生物谷BIOON/---在一項新的研究中，來自美國威爾康奈爾醫學院、斯坦福大學和哥倫比亞大學的研究人員開發出新的允許人們追蹤細胞表面上單個蛋白分子的成像方法。這一結果為細胞如何檢測和應答它們的環境提供史無前例的新認識。相關研究結果於2017年6月7日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Single-molecule analysis of ligand efficacy in β2AR–G-protein activation」。論文通信作者為威爾康奈爾醫學院生理學與生物物理學教授Scott C. Blanchard和斯坦福大學醫學院分子與細胞生理學教授Brian K. Kobilka。

G蛋白偶聯受體（GPCR）是位於細胞膜內的蛋白，將信號傳遞到細胞中以便調節人體生理學的重要方面。GPCR接收到的信號包括激活細胞中的這些蛋白而能夠產生視力的光線，調節情緒的神經遞質等化學物，觸發疼痛的信號等。將近一半的臨床使用的藥物通過靶向不同種類的GPCR發揮作用。

Blanchard說，「GPCR對人體生理學的每個方面是至關重要的。我們需要知道這些蛋白如何識別所有的這些信號，它們如何加工這些信號，它們如何將這些信號傳遞到細胞中觸發特定的作用。只有這樣，我們將能夠開發出更加準確地靶向這些蛋白的新一代藥物而不會造成附帶損傷。」

在這項新的研究中，這些研究人員描述了在這個方向上取得的一項重大進展，並且是利用一種被稱作單分子熒光能量轉移（single-molecule Fluorescence Energy Transfer, smFRET）的成像技術實現的。這種成像技術允許他們觀察當對腎上腺素作出應答時，單個GPCR分子產生的變化。腎上腺素是一種控制心跳、呼吸和血管擴張等功能的激素。

Blanchard說，「我們已知道GPCR分子一結合腎上腺素就會發生物理上的變化，而且這一過程能夠讓它結合胞內蛋白。我們對這種激活過程實際上如何發生知之甚少。這種關鍵信息缺失限制了我們對藥物療效的理解。」

為了能夠觀察這一過程，Blanchard團隊開發出新的被稱作熒光團的報告分子，這些熒光團發出熒光，能夠附著到GPCR上，當發生腎上腺素結合時，指示它的運動。Blanchard實驗室也開發出一種新的能夠更加準確地追蹤這些熒光信號的顯微鏡。他們隨後觀察和記錄這些運動，並且利用複雜的計算方法了解GPCR如何對它與腎上腺素之間的相互作用、它與細胞中的另一種被稱作異源三聚體G蛋白的蛋白之間的相互作用作出應答。G蛋白檢測這種應答，讓細胞知道GPCR已被腎上腺素激活。

這些研究人員獲得高解析度的高速感光影片，從而揭示出通過GPCR將腎上腺素信號傳遞到細胞中的分子相互作用細節。對Blanchard團隊而言，這是首次揭示出這一過程中的一系列之前從沒有觀察到的可逆步驟，通過這一過程，激活的GPCR與它的胞內G蛋白相互作用。這允許他們在他們的論文中作出結論，「定量單分子成像研究將在揭示配體依賴性GPCR信號通路中發揮著至關重要的作用。」

Blanchard說，「若沒有這些成像技術，這些重要的認識是不可能獲得的。這些成像技術讓我們加深理解這些分子機器實際上如何發揮作用和如何將信號從細胞外傳遞到細胞內。能夠觀察GPCR的內在工作機制對開發用於疼痛控制、心臟病和癌症等疾病治療的藥物產生巨大的影響。這些技術的臨床意義是非常深遠的。」（生物谷 Bioon.com）

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原始出處：

G. Glenn Gregorio, Matthieu Masureel, Daniel Hilger et al.Single-molecule analysis of ligand efficacy in β2AR–G-protein activation.Nature, Published online 07 June 2017, doi:10.1038/nature22354

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