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科学家阐明生物有机体中刺激作用传输的分子机制

近日,刊登在国际杂志Nature和Nature Structural and Molecular Biology上的两篇研究论文中,来自苏黎世大学等处的科学家通过研究深入解析了生物体中刺激传输的分子机制,文章中研究者重点关注所谓的G蛋白,该蛋白可以帮助传输外界刺激,外界刺激可以达到细胞内部;研究者利用一种自己开发的新型技术发现对G蛋白功能非常重要的结构,尤其是少许的氨基酸可以明显影响G蛋白的功能;相关研究为改善研究者对于机体感觉及激素活动的理解,并且开发新型药物治疗相关疾病提供了新的希望。

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当我们看到一个物体,那么看到物体这个过程是如何发生的呢?即来自物体反射的光进入我们的眼睛,随后神经细胞会将信号传输到大脑,大脑就会该物体的成像进行解释;信号的传输是由一种名为视紫质的蛋白质来诱发的,而视紫质是一种所谓的G蛋白偶联受体,该蛋白存在于视网膜细胞中,当光一进入眼睛中该蛋白质就会被激活。


视紫质可以扮演一种分子开关,一旦开启就会将信号传输到细胞中的G蛋白,最后就会级联放大信号并且对信号进行传递;许多对儿G蛋白及其偶联的受体都会以相同的方式来发挥功能,比如肌肉细胞中的肾上腺素受体其就可以在机体释放肾上腺素的情况下被激活。科学家们花费了大量的时间致力于研究G蛋白和其相应受体(G蛋白偶联受体GPCRs)之间的相互作用;,科学家因发现G蛋白的受体及其偶联机制分别获得了1994和2012年的诺贝尔生理学及医学奖,截止到目前研究者并不清楚G蛋白被激活的分子机制,本文研究中科学家们就揭示了在G蛋白被激活期间其形状发生改变的机制。


和所有蛋白一样,G蛋白也是由许多称之为氨基酸的元件所组成的;在蛋白质中氨基酸往往会彼此互相连接形成特殊的氨基酸序列,研究者所研究的G蛋白由354个氨基酸所组成,为了阐明该蛋白如何被激活,研究人员将组成G蛋白的每一个氨基酸进行了替换,随后他们测定了氨基酸的交换对于G蛋白激活程度的影响。


研究者Dawei Sun说道,我们发现仅有一小组大约20个氨基酸对于激活G蛋白非常关键,因此毫无疑问,通过交换组成G蛋白的特殊氨基酸对于激活该蛋白的表达具有明显的影响,同时交换其它氨基酸却对该蛋白没有任何影响;随后研究者检测了必要的氨基酸对G蛋白形状改变的影响,G蛋白的形状改变可以帮助组装其在失活状态下的双螺旋结构;当关键的氨基酸被开启后G蛋白的双螺旋结构就会缺乏扭曲,这或许就可以帮助阐明双螺旋结构为何会在G蛋白激活的过程中短暂地消失。


本文研究的结果并不限于单一的蛋白质,这种新发现的机制是普遍存在的,换句话说,其不仅参与了本文中所研究的G蛋白的激活,而且还参与了所有G蛋白的激活过程;文章中研究者发现了对G蛋白激活非常重要的氨基酸序列,这对于后期开发通过激活GPCR受体及相关G蛋白的新型药物来治疗相关的疾病提供了一定帮助,该研究对未来研究的帮助不可估量,如今大约30%的可用药物都是以这种机制来释放作用的,而且作用效果甚至在G蛋白之上;本文研究对于研究其它重要的蛋白质帮助理解蛋白质的激活机制提供了新的思路和帮助。


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