浙大冷凍電鏡中心解析出第一個(gè)蛋白質(zhì)原子分辨率結(jié)構(gòu)
輾轉(zhuǎn)反側(cè)睡不著的夜晚，你的大腦可能處于異常興奮的狀態(tài)。科學(xué)家說，這與大腦中一種叫GABA的神經(jīng)遞質(zhì)有關(guān)，它們負(fù)責(zé)在神經(jīng)系統(tǒng)中“踩剎車”，對調(diào)節(jié)大腦的興奮性至關(guān)重要。浙江大學(xué)的科學(xué)家通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，第一次對人腦中的“剎車”——GABAA受體進(jìn)行原子分辨率的解析，得到了一種處于開放狀態(tài)的GABAA受體三維結(jié)構(gòu)。
2018年8月23日，Cell Research雜志在線發(fā)表了浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院葉升實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)冷凍電鏡研究中心的合作研究論文，浙江大學(xué)博士生劉斯、徐令怡、關(guān)鳳慧為共同第一作者。葉升教授、冷凍電鏡中心副教授張小康、加州大學(xué)洛杉磯分校教授周正洪為共同通訊作者。
這是浙江大學(xué)冷凍電鏡中心自2017年成立以來解析的第一個(gè)以單顆粒冷凍電鏡技術(shù)得到的蛋白質(zhì)原子分辨率結(jié)構(gòu)。審稿人認(rèn)為，這項(xiàng)研究是后續(xù)對GABAA受體開展生物學(xué)和藥理學(xué)研究的基礎(chǔ)，將為藥物開發(fā)和臨床治療提供重要信息。
焦慮與“剎車”
GABA（g-氨基丁酸）是哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)一種重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)。它們調(diào)節(jié)作用在于讓神經(jīng)功能免于過度興奮或者過于敏感。它們就像一位“踩剎車”的信使，負(fù)責(zé)向神經(jīng)元傳遞“放輕松”、或者“停下來”的指令。
人腦中有30%的神經(jīng)元能夠被GABA結(jié)合，神經(jīng)元接收GABA的蛋白就是GABAA受體，也就是那個(gè)“剎車”。“‘剎車’作用可以分為兩類，一種是相位性調(diào)節(jié)，只有開或者關(guān)兩種類型；一種是緊張性調(diào)節(jié)，是調(diào)節(jié)神經(jīng)對于外界刺激的敏感程度。我們這次研究的是第二種GABAA受體?！比~升說。
GABA保障著神經(jīng)活動(dòng)的穩(wěn)態(tài)。如果大腦中的“剎車”出了問題，就會(huì)引發(fā)失眠、焦慮、抑郁等一系列神經(jīng)問題。在一定程度上，GABA保護(hù)了我們的大腦被“燒”壞。還有科學(xué)研究表明，GABAA受體還與學(xué)習(xí)、記憶等認(rèn)知活動(dòng)高度相關(guān)。
圖：作用在GABAA受體上的一些重要化合物
你可能很快聯(lián)想到，“剎車”可以作為藥物靶點(diǎn)。修好了“剎車”，GABA就能通暢的行駛職能。然而，情況復(fù)雜的多，許多藥物，包括抗抑郁癥藥物、麻醉藥物、催眠藥物，甚至致幻藥物（毒品）都是通過作用于相關(guān)GABAA受體來產(chǎn)生相應(yīng)的作用，然而，這些藥物產(chǎn)生相應(yīng)作用的細(xì)節(jié)至今都不清楚。比如，廣譜性抗抑郁藥苯二卓類藥物，是通過加強(qiáng)GABA對GABAA受體的作用，從而中度抑制神經(jīng)元敏感性，來消除患者的焦慮。而許多麻醉劑，如異丙酚（propofol）、安氟醚（Enflurane）、依托咪酯（etomidate）等，能夠直接導(dǎo)致GABAA受體的開放從而引起更強(qiáng)的抑制作用，導(dǎo)致全身麻醉。最神奇的是致幻藥物。
“我們希望在原子分辨的層面解析GABAA受體的三維結(jié)構(gòu)，理解藥物作用的微觀過程，目的為下一步研發(fā)更為安全的靶向藥物提供理論基礎(chǔ)?！比~升說。
給“剎車”畫像
a5b3 GABAA受體的主視和俯視圖、復(fù)合物組裝模式、GABA與受體相互作用圖、以及與脫敏狀態(tài)（左）相對應(yīng)的開放狀態(tài)（右）通道剖面圖。
GABAA受體是在一次偶然中被發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)，人們偶然發(fā)現(xiàn)苯二氮卓具有鎮(zhèn)靜催眠的作用?？茖W(xué)家順藤摸瓜，找到了這個(gè)“剎車”就是GABAA受體，它是一個(gè)氯離子通道，通過開關(guān)離子通道來發(fā)揮功能。但是發(fā)現(xiàn)20多年來，關(guān)于如何GABA如何選擇性結(jié)合到受體，如何讓受體“開門”等機(jī)制，依然不清楚。
GABA究竟是如何“踩剎車”的呢？“我們目前知道，組成GABAA的亞基有19種，有很多種排列組合方式，但人們對此知之甚少。”葉升說。
誕生于2013年的冷凍電鏡技術(shù)，是人類理解生命現(xiàn)象的“神助攻”。它能在原子級的分辨率下觀察蛋白的結(jié)構(gòu)。蛋白的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，也深刻決定著它的功能與活性?！坝辛私Y(jié)構(gòu)生物學(xué)的加入，有了冷凍電鏡技術(shù)，我們就能真正眼見為實(shí)的看到生命的原子結(jié)構(gòu)，并分析它的功能?！比~升說，這也是藥物研發(fā)的生物學(xué)基礎(chǔ)。
“剎車”的模樣
在冷凍電鏡中心，科研人員將純化的人源GABAA受體滴在特制的銅網(wǎng)上，并快速冷卻到零下190度附近?！啊賰觥碌牡鞍资亲罱咏纳頎顟B(tài)的。”張小康說，速凍的過程不會(huì)形成冰晶，因此不會(huì)破壞蛋白結(jié)構(gòu)，使人們能夠在電鏡下清晰地看到一個(gè)個(gè)蛋白。通過多個(gè)蛋白圖像的疊加處理，高分辨信息提取，科學(xué)家得以看到更為豐富的細(xì)節(jié)，并通過計(jì)算機(jī)最終繪制出GABAA受體分辨率為3.5埃（1埃=0.1納米）的三維原子結(jié)構(gòu)。
“我們看到了組成GABAA受體的大多數(shù)氨基酸的側(cè)鏈，從而能區(qū)分不同的亞基。我們還標(biāo)出了每個(gè)原子的X,Y,Z軸坐標(biāo)信息?！比~升說。
每個(gè)GABAA受體都由5個(gè)亞基組成，一個(gè)α5亞基和4個(gè)β3亞基。俯視圖看，它像一個(gè)鏡頭的光圈。GABA結(jié)合在受體上時(shí)，像一把鑰匙打開了中央的孔道，氯離子得以經(jīng)過通道，神經(jīng)信號(hào)因此進(jìn)一步傳遞。
“我們解析到的正好是受體處于激活、開放狀態(tài)的那‘一幀畫面’?！睆埿】嫡f，這是研究GABA激活機(jī)制的理想模型。
據(jù)了解，今年6月到目前為止，全球共有四個(gè)實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了四種不同的GABAA受體的三維結(jié)構(gòu)，分別為英國牛津大學(xué)，美國西南醫(yī)學(xué)中心、俄勒岡健康中心和浙江大學(xué)。GABAA受體結(jié)構(gòu)的解析，為進(jìn)一步開展藥物和GABAA受體之間的相互作用，開發(fā)更有效、更安全的藥物，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
或許，在未來的某一天，在你輾轉(zhuǎn)反側(cè)無法入睡的時(shí)刻，可以吞下一顆藥丸，藥物定向作用到GABAA受體，讓大腦中的“剎車”恢復(fù)正常工作。你也安然入睡，且沒有任何副作用。
該項(xiàng)研究受到了科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金項(xiàng)目、重點(diǎn)基金和面上項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41422-018-0077-8
延伸：GABAA受體與致幻劑
古代西伯利亞地區(qū)的薩滿教巫師會(huì)在舉行祭祀活動(dòng)時(shí)食用一種表面鮮紅并有白、黃色顆粒狀鱗片的蘑菇來通靈，這種蘑菇叫做毒蠅傘（Amanita Muscaria），遍布全球，在針葉和闊葉林中都能找到，一般成人食用一朵之后便會(huì)引起幻覺和感到靈魂出竅。中世紀(jì)的維京戰(zhàn)士據(jù)說在戰(zhàn)前會(huì)食用毒蠅傘，或者給馴鹿喂食毒蠅傘再飲用馴鹿的尿液，這樣，維京戰(zhàn)士在戰(zhàn)場上感覺不到疼痛，無所畏懼，癲狂嚇人。美國真菌學(xué)家羅伯特·高登·華生曾親口嘗試毒蠅傘，他是這樣寫下自己的感受的：在這種半睡狀態(tài)下，出現(xiàn)色彩的幻覺。睡醒后情緒激昂，興奮狀態(tài)可持續(xù)3至4小時(shí)。這時(shí)感覺自己的力量增強(qiáng)，很重的東西也可以輕松地舉起。毒蠅傘的幻覺毒性效果主要來自于蠅蕈醇（muscimol），有意思的是蠅蕈醇是GABAA受體的激動(dòng)劑，能夠結(jié)合在GABAA受體的GABA結(jié)合位點(diǎn)。為什么一個(gè)結(jié)合在GABA位點(diǎn)的藥物能夠致幻，至今仍然是一個(gè)謎。更有意思的是，1977年，丹麥Lundbeck公司化學(xué)家根據(jù)蠅蕈醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)合成了一系列類似物，其中一個(gè)化合物，加波沙朵（Gaboxadol），同樣結(jié)合在GABAA受體的GABA結(jié)合位點(diǎn)，然而臨床發(fā)現(xiàn)具有催眠作用，同時(shí)不產(chǎn)生依賴性，不會(huì)被濫用。2016年，Lundbeck公司更是啟動(dòng)了加波沙朵作為Angelman 綜合征（Angelman syndrome）和脆性X染色體綜合征（Fragile X syndrome），兩種罕見神經(jīng)系統(tǒng)疾病的二期臨床實(shí)驗(yàn)。
