在基礎(chǔ)生物學(xué)研究方面取得了重大進(jìn)展，加州大學(xué)舊金山分校的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一種能夠照亮以前難以理解的細(xì)胞信號網(wǎng)絡(luò)的工具，該網(wǎng)絡(luò)在人類生物學(xué)和疾病中發(fā)揮著廣泛的作用。研究人員表示，該技術(shù)特別為理解和治療精神疾病開辟了令人興奮的新途徑。

這項新技術(shù)在2016年4月6日發(fā)表于Cell的論文中有所描述，它使科學(xué)家們更容易研究大型傳感器蛋白家族的復(fù)雜運作，這些傳感器蛋白被稱為G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)，它們位于細(xì)胞膜中并使細(xì)胞能夠響應(yīng)來自身體其他部位或外界的化學(xué)信號。在第一次原理驗證研究中，加州大學(xué)舊金山分校的團(tuán)隊使用他們的新方法來識別參與阿片類止痛藥耐受性發(fā)展的新生物化學(xué)參與者 - 這些參與者針對特定類型的GPCR - 他們預(yù)期的研究結(jié)果將使研究人員能夠開發(fā)更安全的更有效的疼痛控制。

“這項技術(shù)將讓我們了解這些關(guān)鍵信號分子如何以我們以前從未有過的方式發(fā)揮作用，”細(xì)胞和分子藥理學(xué)教授，數(shù)量生物科學(xué)研究所(QBI)主任Nevan Krogan博士說。加州大學(xué)舊金山分校和格拉德斯通研究所的高級研究員，他是新論文的高級作者之一。

大約800種不同類型的GPCR在全身發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，包括調(diào)節(jié)心率，血壓和消化; 調(diào)解視覺，嗅覺和味覺; 并在大腦細(xì)胞之間實現(xiàn)多種形式的化學(xué)通訊。大約40%的藥物針對一種類型的GPCR或另一種，包括針對多巴胺受體的精神分裂癥藥物，針對阿片受體的止痛藥，以及針對不同類型組胺受體的過敏和胃灼熱藥物，僅舉幾例。

這些類型的GPCR具有一個共同的特征，使得它們特別難以研究：當(dāng)它們被激活時(無論是通過光束還是血液激素)，它們引發(fā)了快速級聯(lián)的生化反應(yīng)，其中GPCR本身在細(xì)胞內(nèi)從一個位置移動到另一個位置，并觸發(fā)在數(shù)十個或數(shù)百個不同蛋白質(zhì)信使之間傳遞的信號?？傊@些變化最終會改變細(xì)胞的行為 - 例如改變神經(jīng)元的興奮性或重新編程其遺傳活動。

技術(shù)讓科學(xué)家偵探分泌生化網(wǎng)絡(luò)

理解GPCR生物學(xué)的最后一個重大突破是其化學(xué)結(jié)構(gòu)的解決，這項研究獲得了2012年諾貝爾化學(xué)獎。但是，采用下一步來理解GPCR生物學(xué)的過程一直很緩慢：如果沒有更好的工具來繪制由GPCR觸發(fā)的化學(xué)級聯(lián)，那么研究人員要清楚地了解這些信號是如何工作的，以及它們?nèi)绾卧诩膊≈谐鲥e，這一點極具挑戰(zhàn)性，或者如何用藥物更好地控制它們。但是Krogan和von Zastrow相信他們的新技術(shù)會改變這一切：

“我們的協(xié)作團(tuán)隊開發(fā)的方法允許人們精確定義受體的局部蛋白質(zhì)環(huán)境，因為它們動態(tài)地改變伴侶并在細(xì)胞內(nèi)移動，”Mark von Zastrow博士，醫(yī)學(xué)博士，精神病學(xué)和細(xì)胞與分子藥理學(xué)教授加州大學(xué)舊金山分校和該論文的其他資深作者。“我們自己對這種方法可以實現(xiàn)的高度空間和時間分辨率感到驚訝。”

博士后研究人員Braden T. Lobingier博士和RuthHüttenhain博士是這項新研究的共同第一作者，他領(lǐng)導(dǎo)了這一新工具的開發(fā)，該工具讓研究人員通過像警察偵探一樣對犯罪網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作來研究GPCR信號級聯(lián)一個秘密的犯罪老板：從一個已知的特定GPCR合作者的蛋白質(zhì)列表開始，研究人員觸發(fā)GPCR活動并使用生化跟蹤設(shè)備來識別這些蛋白質(zhì)在細(xì)胞其他部分的相關(guān)性。

為了建立這個同伙網(wǎng)絡(luò)，研究人員將他們感興趣的受體變成了一個“線人”，用一種稱為APEX的酶形式的跟蹤裝置裝配它，可以觸發(fā)用化學(xué)標(biāo)簽噴灑任何附近的蛋白質(zhì)。然后，研究人員可以使用此標(biāo)記，使用稱為質(zhì)譜的技術(shù)追蹤并識別GPCR級聯(lián)中的可疑參與者。通過在激活GPCR后的不同時間觸發(fā)APEX標(biāo)記，研究人員能夠開始構(gòu)建細(xì)胞對特定GPCR激活響應(yīng)的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)且無偏的圖譜。

研究揭示了阿片類止痛藥耐受的潛在機(jī)制

在原理驗證實驗中，Krogan和von Zastrow的團(tuán)隊利用他們的技術(shù)回答了關(guān)于阿片類藥物耐受的生物學(xué)機(jī)制的長期謎團(tuán) - 隨著時間的推移，患者往往需要更高和更高劑量的阿片類藥物嗎啡等止痛藥可達(dá)到同等程度的止痛效果。

這是一個需要解決的重要難題，因為針對耐受性的阿片類藥物使用增加會使患者面臨嚴(yán)重的不良副作用，并促進(jìn)成癮。研究人員知道，當(dāng)細(xì)胞通過破壞或“下調(diào)”這些藥物靶向的GPCR阿片受體而對長期阿片類藥物的使用做出反應(yīng)時會產(chǎn)生耐受性，但引發(fā)細(xì)胞的原因尚不清楚。

使用他們基于APEX的工具，加州大學(xué)舊金山分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，以前未知與阿片受體相互作用的兩種細(xì)胞蛋白實際上與細(xì)胞靶向的時間和地點的δ阿片受體(阿片受體亞型)密切配合。這些受體是毀滅性的。然后，他們使用遺傳操作證實，這兩種蛋白質(zhì)對于下調(diào)過程都是必不可少的。

研究人員表示，了解參與阿片類藥物耐受的蛋白質(zhì)合作伙伴可以使研究人員制定改進(jìn)的疼痛控制策略，或使現(xiàn)有策略更安全，更有效。

Krogan和von Zastrow強(qiáng)調(diào)，并非所有通過他們的技術(shù)揭示的嫌疑人都會在特定的GPCR級聯(lián)中被證明是重要的。但是，能夠快速，輕松地識別給定級聯(lián)中可能的參與者的能力應(yīng)該大大加快了解這些復(fù)雜信號傳導(dǎo)過程的速度，并為他們出錯的疾病開發(fā)更有針對性的治療方法。

研究人員將目光投向了精神疾病的共同機(jī)制

Krogan和von Zastrow對介導(dǎo)大腦中化學(xué)信號傳導(dǎo)的許多GPCR類別特別感興趣。新方法是Krogan及其同事在QBI內(nèi)推出的一項新的大型合作項目的核心，稱為精神病細(xì)胞制圖計劃，其目的是了解大腦中不同細(xì)胞類型的異常生化網(wǎng)絡(luò)活動可能有何貢獻(xiàn)。對許多不同的精神疾病。

大多數(shù)大腦的化學(xué)信號 - 神經(jīng)遞質(zhì)如多巴胺，血清素，谷氨酸和GABA - 與他們自己的GPCR類別結(jié)合，影響大腦活動。這些神經(jīng)遞質(zhì)受體深深地參與許多精神疾病，包括嚴(yán)重抑郁癥，精神分裂癥和成癮，并且是許多精神病和精神活性藥物的目標(biāo)。

“我們對精神疾病的生物學(xué)知之甚少，對精神病藥物的了解甚少，”Krogan說。“我們的這一舉措的目標(biāo)是使用這個和其他新工具來更好地了解主要精神疾病背后的常見細(xì)胞生物學(xué)。這個新工具將讓我們研究GPCR如何在精神疾病中有所不同，這可以幫助我們理解為什么這些疾病出現(xiàn)了，也讓我們測試精神科藥物如何以一種前所未有的方式改變其靶細(xì)胞的運作方式。“