一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在能源部的SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室使用X射線(xiàn)激光器創(chuàng)建了兩個(gè)褪黑素受體的第一個(gè)詳細(xì)地圖，這些受體告訴我們的身體什么時(shí)候入睡或醒來(lái)并指導(dǎo)其他生物過(guò)程。更好地了解它們的工作原理可以使研究人員設(shè)計(jì)出更好的藥物來(lái)對(duì)抗睡眠障礙，癌癥和2型糖尿病。他們的研究結(jié)果在兩篇論文今天發(fā)表在自然。

由南加州大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組使用來(lái)自SLAC的Linac相干光源(LCLS)的X射線(xiàn)來(lái)繪制受體，MT1和MT2，它們與四種不同的化合物結(jié)合，這些化合物激活受體：一種失眠藥物，一種藥物，將褪黑激素與抗抑郁藥血清素和兩種褪黑激素類(lèi)似物混合。

他們發(fā)現(xiàn)兩種褪黑激素受體都含有嵌入我們體內(nèi)細(xì)胞脂肪膜的狹窄通道。這些通道只允許褪黑激素 - 可以存在于水和脂肪中 - 通過(guò)，阻斷血清素，血清素具有相似的結(jié)構(gòu)，但只在水環(huán)境中幸福。盡管兩種受體之間存在結(jié)構(gòu)相似性，但他們還發(fā)現(xiàn)了一些更大的化合物如何僅靶向MT1而不是MT2。這應(yīng)該告知設(shè)計(jì)選擇性靶向MT1的藥物，這是迄今為止具有挑戰(zhàn)性的。

這些受體在人體中發(fā)揮著極其重要的作用，并且是制藥工業(yè)高度關(guān)注的主要藥物靶標(biāo)。通過(guò)這項(xiàng)工作，我們能夠非常詳細(xì)地了解褪黑激素如何與這些受體結(jié)合。“

Linda Johansson，USC的博士后學(xué)者，負(fù)責(zé)MT2的結(jié)構(gòu)工作

該睡了

人們這樣做，鳥(niǎo)類(lèi)做，魚(yú)做。幾乎動(dòng)物王國(guó)中的所有生物都在睡覺(jué)，這是有充分理由的。

對(duì)于大腦來(lái)說(shuō)，休息，處理和存儲(chǔ)我們?cè)诎滋旆e累的記憶至關(guān)重要。褪黑激素是調(diào)節(jié)我們睡眠 - 覺(jué)醒周期的激素。當(dāng)有光時(shí)，褪黑激素的產(chǎn)生受到抑制，但當(dāng)黑暗來(lái)臨時(shí)，這是我們大腦進(jìn)入睡眠狀態(tài)的信號(hào)。“

共同作者，SLAC的科學(xué)家Alex Batyuk

褪黑激素受體屬于稱(chēng)為G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)的一組膜受體，其調(diào)節(jié)人體中幾乎所有的生理和感覺(jué)過(guò)程。MT1和MT2存在于全身許多地方，包括大腦，視網(wǎng)膜，心血管系統(tǒng)，肝臟，腎臟，脾臟和腸道。

這些受體監(jiān)督我們的時(shí)鐘基因，身體內(nèi)部時(shí)鐘的計(jì)時(shí)器或晝夜節(jié)律。在完美的世界中，我們的內(nèi)部時(shí)鐘將與太陽(yáng)的升起和設(shè)置同步。但是當(dāng)人們跨越時(shí)區(qū)旅行，過(guò)夜工作或在屏幕或其他人工藍(lán)光源前花費(fèi)太多時(shí)間時(shí)，這些計(jì)時(shí)員會(huì)被拋棄。

控制節(jié)奏

當(dāng)我們的晝夜節(jié)律被破壞時(shí)，它可能導(dǎo)致許多下游癥狀，增加患癌癥，2型糖尿病和情緒障礙的風(fēng)險(xiǎn)。MT1尤其在控制這些節(jié)律中起重要作用，但設(shè)計(jì)能夠選擇性靶向該受體的藥物已證明是困難的。許多人服用非處方褪黑素補(bǔ)充劑來(lái)對(duì)抗睡眠問(wèn)題或改變他們的晝夜節(jié)律，但這些藥物的效果常常會(huì)在數(shù)小時(shí)內(nèi)消失。

通過(guò)破解這些受體的藍(lán)圖并繪制配體如何結(jié)合并激活它們，研究人員為其他人設(shè)計(jì)了更安全，更有效且能夠選擇性靶向每種受體的藥物。

收獲水晶

“自從60年前發(fā)現(xiàn)褪黑激素以來(lái)，已經(jīng)有許多具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了這一時(shí)刻，”紐約州立大學(xué)布法羅分校藥理學(xué)和毒理學(xué)杰出教授Margarita L. Dubocovich說(shuō)，他開(kāi)創(chuàng)了功能性褪黑激素受體的鑒定方法。在80年代早期，并為這項(xiàng)研究提供了一個(gè)外部視角。“盡管取得了顯著進(jìn)展，我的團(tuán)隊(duì)和世界各地的研究人員仍然難以發(fā)現(xiàn)選擇性MT1藥物。闡明MT1和MT2受體的晶體結(jié)構(gòu)開(kāi)辟了令人興奮的新章節(jié)，用于開(kāi)發(fā)治療睡眠或晝夜節(jié)律紊亂的藥物，這些疾病已知導(dǎo)致精神病，新陳代謝，腫瘤和許多其他疾病。

為了映射像蛋白質(zhì)這樣的生物分子，研究人員經(jīng)常使用一種稱(chēng)為X射線(xiàn)晶體學(xué)的方法，從這些蛋白質(zhì)的結(jié)晶形式散射X射線(xiàn)，并使用這種模式來(lái)獲得三維結(jié)構(gòu)。到目前為止，繪制MT1，MT2和類(lèi)似受體的挑戰(zhàn)是生長(zhǎng)足夠大的晶體以獲得高分辨率結(jié)構(gòu)的難度。

有了這些褪黑激素受體，我們真的不得不加倍努力。許多人試圖在沒(méi)有成功的情況下結(jié)晶它們，所以我們必須有點(diǎn)創(chuàng)造性。“

南加州大學(xué)的科學(xué)家Benjamin Stauch領(lǐng)導(dǎo)了MT1的結(jié)構(gòu)工作

這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵部分是研究人員用來(lái)生長(zhǎng)晶體并從中收集X射線(xiàn)衍射數(shù)據(jù)的獨(dú)特方法。對(duì)于這項(xiàng)研究，該團(tuán)隊(duì)在昆蟲(chóng)細(xì)胞中表達(dá)了這些受體，并使用洗滌劑將其提取出來(lái)。他們突變這些受體以穩(wěn)定它們，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)晶。在純化受體后，它們將它們置于膜狀凝膠中，其直接從膜環(huán)境支持晶體生長(zhǎng)。在獲得懸浮在該凝膠中的微晶之后，他們使用特殊的注射器來(lái)產(chǎn)生窄的晶體流，它們用來(lái)自L(fǎng)CLS的X射線(xiàn)切割。

由于晶體尺寸很小，這項(xiàng)工作只能在LCLS上完成。這種小晶體在同步加速器源處不能很好地衍射，因?yàn)樗鼈兒芸焓艿捷椛鋼p害。X射線(xiàn)激光器可以通過(guò)“衍射前破壞”原理克服輻射損傷問(wèn)題。“

Vadim Cherezov，USC教授，負(fù)責(zé)監(jiān)督這兩項(xiàng)研究

研究人員收集了數(shù)十萬(wàn)張散射X射線(xiàn)圖像，以確定這些受體的三維結(jié)構(gòu)。他們還測(cè)試了數(shù)十種突變的影響，以加深他們對(duì)受體如何工作的理解。

除了在受體中發(fā)現(xiàn)微小的門(mén)控褪黑激素通道外，研究人員還能夠?qū)?型糖尿病相關(guān)突變定位到MT2受體上，這是第一次看到這些突變?cè)谑荏w中的確切位置。

奠定基礎(chǔ)

在這些實(shí)驗(yàn)中，研究人員只研究了激活受體的化合物，稱(chēng)為激動(dòng)劑。為了跟進(jìn)，他們希望能夠映射與拮抗劑結(jié)合的受體，這些受體阻斷受體。他們還希望利用他們的技術(shù)來(lái)研究體內(nèi)其他GPCR受體。

“作為一名結(jié)構(gòu)生物學(xué)家，第一次看到這些受體的結(jié)構(gòu)并分析它們以了解這些受體如何選擇性地識(shí)別它們的信號(hào)分子是令人興奮的，”Cherezov說(shuō)。“我們已經(jīng)了解它們幾十年，但直到現(xiàn)在還沒(méi)有人能說(shuō)出它們的實(shí)際外觀(guān)?，F(xiàn)在我們可以對(duì)它們進(jìn)行分析，以了解它們?nèi)绾巫R(shí)別特定分子，我們希望這些分子為更好，更有效的藥物奠定基礎(chǔ)。“