在進行基礎(chǔ)生物學(xué)研究方面取得了重大進展，加州大學(xué)舊金山分校的科學(xué)家開發(fā)出了一種工具，能夠闡明以前難以理解的細胞信號網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)在人類生物學(xué)和疾病中發(fā)揮著廣泛的作研究人員表示，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，這些傳感器蛋白稱為G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)，它們位于細胞膜中。并使細胞能夠響應(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)舊金山分校的團隊使用他們的新方法來確定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，”細胞和分子藥理學(xué)教授，量化生物科學(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?，這些變化最終會改變細胞的行為 - 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)的解析，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)改變伴侶并在細胞內(nèi)移動，”Mark von Zastrow博士，醫(yī)學(xué)博士，精神病學(xué)和細胞與分子藥理學(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，領(lǐng)導(dǎo)了新工具的開發(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)進行操作來研究GPCR信號級聯(lián)秘密犯罪老板：從一系列已知的特定GPCR合作者的蛋白質(zhì)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)標簽噴灑任何附近的蛋白質(zhì)。然后，研究人員可以使用此標記來跟蹤并使用稱為質(zhì)譜的技術(shù)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標記，研究人員能夠開始構(gòu)建細胞對特定GPCR活化響應(yīng)的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的詳細且無偏的圖譜。

研究揭示了阿片類止痛藥耐受的潛在機制

在原理驗證實驗中，Krogan和von Zastrow的團隊使用他們的技術(shù)回答了關(guān)于阿片類藥物耐受的生物學(xué)機制的長期謎團 - 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，因為響應(yīng)耐受性的阿片類藥物使用增加會使患者面臨嚴重不良副作用的風險并且還會促進成癮。研究人員知道，當細胞通過破壞或“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，但是引發(fā)細胞的原因尚不清楚。

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)，事先未知與阿片受體相互作用的兩種細胞蛋白實際上與細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)中的可能參與者的能力應(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)推出的一個新的大型合作項目的核心，稱為精神病細胞制圖計劃，其目的是了解大腦中不同細胞類型的異常生物化學(xué)網(wǎng)絡(luò)活動可能有何貢獻。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。

“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胞的運作方式。“