大腦中一種作用最快的蛋白質(zhì)的突破性圖像提供了關(guān)鍵線索，可能會導(dǎo)致治療癲癇和其他腦部疾病的靶向療法的發(fā)展。大腦中紅藻氨酸鹽受體（kainate receptor）的閃電般快速移動對于神經(jīng)元間的交流是必不可少的，但這給試圖捕捉這種受體活動圖像的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家?guī)砹艘粋€難題。
當(dāng)被激活時，嵌入神經(jīng)元表面的kainate受體打開離子通道，然后在幾毫秒內(nèi)關(guān)閉通道。
“這是結(jié)構(gòu)生物學(xué)家的關(guān)鍵問題:你必須在通道關(guān)閉之前凍結(jié)這些分子，”哥倫比亞大學(xué)瓦格洛斯內(nèi)外科醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)和分子生物物理學(xué)副教授Alexander Sobolevsky說，他領(lǐng)導(dǎo)了獲得新圖像的團(tuán)隊。
“但凍結(jié)一個分子大約需要30秒，這太慢了。”
這并不是說結(jié)構(gòu)生物學(xué)家——獲取圖像并建立生命分子模型的科學(xué)家——沒有嘗試過。
紅藻氨酸鹽受體的功能障礙與癲癇有關(guān)，并與許多其他腦部疾病有關(guān)，包括抑郁癥、焦慮癥和自閉癥。對于藥物開發(fā)人員來說，這是一個理想的靶點(diǎn)，但只有少數(shù)批準(zhǔn)的藥物可以安全地靶向這種受體。
Sobolevsky說:“每個人都在試圖獲得受體活動的圖像，這樣我們就能了解它是如何工作的，并設(shè)計出控制它的藥物。”
兩項(xiàng)創(chuàng)新的成功
“捕捉活性受體的圖像是一個長期存在的科學(xué)問題，我們一直試圖解決這個問題，”Sobolevsky實(shí)驗(yàn)室的副研究科學(xué)家Shanti Pal Gangwar說。通道在激活過程中保持開放的時間，只有幾毫秒，對于用冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)對受體進(jìn)行常規(guī)冷凍來說太短了。冷凍電子顯微鏡是Sobolevsky實(shí)驗(yàn)室用來成像生命分子的結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù)。
為了獲得受體活動的圖像，Sobolevsky團(tuán)隊開發(fā)了兩種不同的技巧來減緩?fù)ǖ狸P(guān)閉和加速凍結(jié)過程。
首先，研究小組尋找粘附在受體上并保持其開放的分子。他們發(fā)現(xiàn)了兩種這樣的分子——BPAM和凝集素Concanavalin A。類似藥物的小分子BPAM將通道的打開時間延長了幾百毫秒，但這種延遲仍然不足以使通道處于打開狀態(tài)。只有在加入凝集素(一種與糖蛋白修飾的糖結(jié)合的蛋白質(zhì))之后，通道才會保持開放幾秒鐘。
電生理記錄是確定時間的關(guān)鍵。“通過這些記錄，我發(fā)現(xiàn)單靠BPAM或凝集素?zé)o法使通道保持足夠長的開放時間，”Sobolevsky實(shí)驗(yàn)室的副研究員、電生理學(xué)專家Maria Yelshanskaya說。“當(dāng)我看到BPAM和凝集素的協(xié)同效應(yīng)時，我們就像找到了靈感。”
對于傳統(tǒng)的冷凍電鏡冷凍來說，幾秒鐘的時間還是太快了。傳統(tǒng)的冷凍電鏡冷凍需要大約30秒的時間將樣品放入液態(tài)乙烷中，并為成像做好準(zhǔn)備。因此，Sobolevsky實(shí)驗(yàn)室的博士后研究科學(xué)家Kirill Nadezhdin設(shè)計了一個機(jī)器人柱塞，可以在不到3秒的時間內(nèi)浸泡樣品，將受體(與BPAM和凝集素結(jié)合)困在開放狀態(tài)。
借助機(jī)器人柱塞和分子穩(wěn)定劑，Sobolevsky的團(tuán)隊捕捉到了各種開放構(gòu)型的kainate受體的圖像。
“這兩項(xiàng)創(chuàng)新都是必要的，”Sobolevsky說。“我們不可能只用一種或另一種來捕捉受體的開放狀態(tài)。”
圖像為新藥提供線索
開放kainate受體的圖像為藥物開發(fā)人員提供了關(guān)鍵信息。
一些藥物，離子通道阻滯劑，就像酒瓶里的軟木塞一樣，堵塞了開放的通道。Sobolevsky說:“你需要一個開放通道的結(jié)構(gòu)來制造一種完美的、原子與原子之間的契合的藥物。”
這些圖像還顯示了perampanel(一種以kainate受體為靶點(diǎn)的癲癇藥物)如何被優(yōu)化為針對特定版本的kainate受體，并為患者提供更精確的藥物。合作者們已經(jīng)在利用Sobolevsky的實(shí)驗(yàn)室圖像，通過計算機(jī)建模來探索這種藥物可能發(fā)生的變化。
Sobolevsky團(tuán)隊開發(fā)的方法應(yīng)該可以幫助其他研究人員獲得更多的開放kainate受體和其他類型的快速工作分子的圖像。
Sobolevsky說:“我們擁有的圖像越多，模型就會越好，我們的藥物也會越好。”
Kainate receptor channel opening and gating mechanism
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-6/20240618065733241.htm） | 
