【未止科技】GPCR藥物研發又添新動力！冷凍電鏡史上首次捕捉到糖尿病關鍵靶點的分子活動

無論是研究疾病機理，還是開發新藥物，理解靶點蛋白的分子結構都是最重要的一步-這將有助於科學家們找到蛋白的活性位點，探索蛋白的構象變化。目前，最傳統的技術就是利用核磁共振（NMR）和X射線蛋白晶體學（crystallography）方法來探索蛋白結構。近年來，隨著冷凍電鏡（cryo-EM) 技術的發展，蛋白質結構和功能的研究又被提升到了一個新的台階。

不久前，來自美國密歇根大學、斯坦福大學和ConfometRx公司的聯合研究小組利用冷凍電鏡，在歷史上首次捕獲了GLP-1及其受體的分子活動 - 這種蛋白的受體正是II型糖尿病的關鍵靶點，為糖尿病藥物研究，乃至整個G蛋白偶聯受體家族的研究都開闢了新的思路。這項研究刊登在5月24日的《Nature》雜誌上【1】。

G蛋白偶聯受體（GPCR）是及其重要的一種蛋白家族。這種跨膜蛋白可以接收膜外的信號分子，並把這種生物信號傳遞到細胞膜內，從而調控下游的細胞活動。它們不僅能夠接收光線、味覺、嗅覺等感官信號，還可以接收荷爾蒙和神經遞質的信號。Glucagon-like peptide-1（GLP-1）正是一種能夠被GPCR識別的荷爾蒙信號，它可以與GPCR的B家族受體結合，調控下游的胰島素分泌、碳水化合物代謝甚至是食慾的產生，在II型糖尿病的發病過程中起了關鍵作用。

然而，由於過去科學家們一直沒能獲得高解析度的GLP-1分子圖像，GLP-1的研究被大大限制了。這一次，研究人員們成功地利用電鏡揭示了GLP-1在膜外如何與GPCR受體相結合，以及它如何引發GPCR模內結構的改變和並激活GPCR。這張來自電鏡的「照片」已經接近原子級別的解析度，讓科學家們清清楚楚地看到GPCR是如何接受並傳遞外部信號！

來源：Nature

「GPCR的重要性毋庸置疑」該論文的作者之一Georgios Skiniotis表示，「世界上所有的藥物，有一半都是針對GPCR靶點！這次能夠利用冷凍電鏡獲得高解析度的GPCR信號分子結構，無疑會推動未來的GPCR藥物發現工作。另外，GLP-1受體也是一個非常重要的II型糖尿病靶點。」

體積大，蛋白結構脆弱等特點，讓GPCR複合物結構捕獲十分困難。X射線蛋白晶體學作為結構研究長期的「金標準」，也拿GPCR複合物束手無策。當年，斯坦福大學的Brian Kobilka教授花費多年心血，才得到了世界上第一個GPCR的結構 - 這個發現足以讓他捧得2012年諾貝爾獎的桂冠！

冷凍電子顯微鏡（cryo-Electron Microscopy）是目前最先進、發展最快的蛋白結構解析技術。冷凍電鏡的原理聽起來並不複雜，即在一個溶液薄層中利用超低溫將蛋白冷凍，然後讓他們反射電子，從而解析出蛋白的微觀結構。由於每個冷凍的蛋白分子都有不同的排列方向，利用計算機軟體，可以將成千上萬張二維的「快照」組合成一個具有原子級別解析度的三維圖像。與傳統的X射線晶體學相比，冷凍電鏡最大的優勢就是不需要將蛋白進行結晶 - 而這一步是X射線晶體學中最困難的。」對冷凍電鏡技術有興趣的讀者可以參考一篇綜述【2】。

來源：Nature

「利用冷凍電鏡，我們還可以發現更多GPCR的信息：比如它們是如何移動的？如何摺疊的？」參與研究的Yan Zhang博士表示，「同時，我們還可以突破傳統晶體學的障礙，對那些結晶困難的複合物進行進一步的觀測。」

冷凍電鏡正在成為結構學研究的利器，相信在未來，它能給我們帶來更多驚喜！

參考文獻：

【1】https://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature22394.html

【2】The revolution will not be crystallized: a new method sweeps through structural biology

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