利用磷酸化蛋白質組學闡明阿片類藥物在大腦中激活的信號通路

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阿片類藥物是作用於大腦中的強效止痛藥，但它們具有一系列有害的副作用，包括成癮。在一項新的研究中，來自德國馬克斯-普朗克生物化學研究所（MPIB）；奧地利因斯布魯克醫科大學、因斯布魯克大學；美國天普大學和丹麥哥本哈根大學的研究人員開發出一種工具，從而能夠更加深入地認識大腦對阿片類藥物作出的反應。他們利用質譜法確定了大腦的五個不同區域中的蛋白磷酸化---蛋白的分子開關---模式發生的變化，並將它們對應到阿片類藥物的期望的和不希望的治療效果。這些結果將為鑒定新的藥物靶點和設計一類副作用較少的新型止痛藥提供方法。相關研究結果發表在2018年6月22日的Science期刊上，論文標題為「In vivo brain GPCR signaling elucidated by phosphoproteomics」。

圖片來自CC0 Public Domain。

細胞用來響應外部刺激的級聯信號類似於公司的指揮鏈。一個受體（好比於公司的領導）的激活給細胞內的其他蛋白（好比是一群下屬）提供指令。這種信息通過其他的相互作用蛋白質的信號級聯傳遞到較低級別的組織結構。就像執行不同任務以保持公司運行的員工一樣，蛋白也是執行細胞大部分功能的分子機器。在細胞中，通過改變這些「細胞員工」的功能，指令被傳遞給其他的蛋白。一種改變功能的方式是「磷酸化」---將一個磷酸分子連接到蛋白上。通過同時分析所有的這些分子開關，就能夠確定細胞或器官中的信號通路活性。相比於研究DNA，即在所有細胞中幾乎相同的遺傳「藍圖」，研究這種指揮鏈可更加精確地了解細胞內當前發生的過程。

蛋白活性圖譜

馬克斯-普朗克生物化學研究所主任Matthias Mann及其團隊利用質譜法（一種確定樣品中蛋白的身份和數量的方法）描述了許多器官樣品中成千種蛋白的磷酸化模式，為此，他們發明了一個術語，即磷酸化蛋白質組學（phosphoproteomics）。在最近的一項研究中，他們分析了大腦不同區域中的對阿片類藥物作出反應的信號通路激活。為了實現這一目標，他們使用了最近開發的一種被稱作EasyPhos的方法。

為了理解阿片類藥物如何起作用，人們必須了解它們對大腦的影響。論文第一作者Jeffrey Liu說，「利用磷酸化蛋白質組學，我們一次能夠分析50000多個磷酸化位點，並獲取大腦樣品中所有有活性的信號通路圖譜。我們發現在接觸阿片類藥物後1000多種信號通路發生變化，這顯示出這些藥物對大腦中的信號通路的全局影響。」之前的方法不能大規模地捕獲蛋白磷酸化，並且遺漏了許多重要的已開啟或關閉的信號通路。

磷酸化蛋白質組學---一種多功能的工具

Liu說，「在我們的研究中，我們研究了大腦中負責導致阿片類藥物發揮止痛等效果的信號通路激活。相反之下，其他信號通路的平行激活會導致不良副作用。」

這些研究人員使用磷酸化蛋白質組學來測量這些導致有益效果和副作用的信號通路的活躍程度。來自因斯布魯克醫科大學的與Liu和Mann合作開展這項研究的Christoph Schwarzer，著重關注阿片類藥物在大腦中激活的這些級聯信號。在開發新葯期間，這些數據可用於鑒定出具有強大治療效果且較少副作用的潛在物質。此外，這項研究還顯示了通過干擾級聯信號降低副作用的前景。因此，這項研究為阿片類藥物引入了一種新的概念。當前的阿片類藥物是強效的止痛藥，但很快導致成癮。因此，迫切需要新型非成癮性阿片類藥物。

想像一下，大腦中的蛋白是一家公司，磷酸化蛋白質組學允許這些研究人員一次性關注所有員工的活動，而不是專註於少數幾個人。質譜法可成為一種研究大腦或其他器官中藥物靶點的有力工具。Mann說：「在美國，當前與阿片類藥物有關的死亡流行病是一個令人震驚的例子，它表明處方葯具有成癮性等強烈副作用的潛在後果。通過質譜法，我們能夠在全局水平上了解藥物的影響，並簡化副作用較小的新葯開發。」Mann解釋道，新葯的設計僅是磷蛋白質組學的許多潛在應用之一，並預測這種方法也可用於產生關於細胞如何使用它們的指揮鏈來處理信息以及藥物對其他器官中的影響的知識。

天普大學路易斯卡茨醫學院的Lee-Yuan Liu-Chen博士及其團隊使用兩種藥物進行了行為實驗，發現它們具有相似的鎮痛效果，但它們的副作用水平差異很大。這些研究人員分析了經過兩種藥物處理的動物大腦種的磷酸化蛋白質組差異，發現這些差異來源於少數信號通路。抑制其中的一種信號通路能夠極大地減少一些副作用。

原始出處：

Jeffrey J. Liu1, Kirti Sharma1, Luca Zangrandi et al. In vivo brain GPCR signaling elucidated by phosphoproteomics. Science, 22 Jun 2018, 360(6395):eaao4927, doi:10.1126/science.aao4927

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