专访程晓东：开拓视野 勇于探索

敢于探索是科学发现最重要的原动力，不消说放射性元素镭的发现，就是小小的一个新实验设计，也要敢于冒着失败的危险探索前进。来自德州大学加尔维斯顿医学分部的华裔科学家：程晓东教授就是这样一位实践者，他从多年来科学探索的道路中体会到：“生物学错宗复杂，我们对于其大部分体系的作用原理并不清楚，因此需要开拓视野，让想象力信马由缰，并且敢于探索”。这正是从某种角度上来说的科学的真谛。

　　

生物通报道：敢于探索是科学发现最重要的原动力，不消说放射性元素镭的发现，就是小小的一个新实验设计，也要敢于冒着失败的危险探索前进。当然科学的冒险精神也不是鲁莽的孤注一掷，需要各种知识经验做铺垫，这些知识经验从何来，正如“常识缺乏，则判断力何自生焉?”所提及的，“常识”从何而来？这不仅要靠实验及失败中细心的摸索，还需要多学习他人的经验，多阅读文献，用一切可能的机会来开拓视野。

   来自德州大学加尔维斯顿医学分部的华裔科学家：程晓东教授就是这样一位实践者，他从多年来科学探索的道路中体会到：“生物学错宗复杂，我们对于其大部分体系的作用原理并不清楚，因此需要开拓视野，让想象力信马由缰，并且敢于探索”。这正是从某种角度上来说的科学的真谛。

   程晓东教授早年毕业于北京大学，后获美国德州大学博士学位。上个世纪90年代起在德州大学任教，主要从事肿瘤细胞信号转导及癌基因调控和致癌基理等方面研究。近期其研究组利用一种功能强大的蛋白质结构分析方法，解析了一个在多种疾病例如糖尿病和癌症的形成过程中起关键性作用的蛋白质的活化机制。这一研究成果将有助于推动科学家们开发治疗这些疾病的新型药物，作为每周一文(Paper of the Week)公布在著名期刊《Journal of Biological Chemistry》封面上。为了更深入的了解这项重要成果，以及程晓东教授背后的故事，生物通特联系了他，就一些读者感兴趣的问题请教了他。

关键信号途径

   cAMP分子,作为一个重要的第二信使, 在包括大脑学习和记忆、心脏收缩与舒张以及胰腺胰岛素分泌等多种生理过程中均起着关键的调控作用。在细胞内cAMP主要通过结合并激活特异性的受体蛋白质的方式启动下游信号途径。当这一细胞信号通路出现异常时则会导致多种疾病例如糖尿病、癌症及心力衰竭等。因此深入了解cAMP介导的细胞信号通路对于开发特异性靶向cAMP-Epac2信号元件的新型治疗策略具有重要的意义。

   在这项研究中，程晓东教授等人利用了氢/氘交换质谱测定技术（DXMS）对cAMP信号通路进行了研究。详细地解析了cAMP如何有序的与Epac2蛋白的两个已知结合域相互作用，由此引导Epac2蛋白构象变化来启动Epac2活化的过程。研究结果表明cAMP诱导的Epac2激活主要受cAMP第二结合域C末端铰链运动的调控。这一构象的改变促使Epac2调控单元重新排列远离催化核心，以便于随后的效应蛋白结合。此外，研究人员发现cAMP第一结合域与第二结合域的界面接口高度动态，这一特性解开了cAMP如何与二个在晶体结构中相互阻隔的结合域结合之谜。

   程教授等人之所以选择了Epac2作为研究对象，是因为这一蛋白在胰岛素分泌，认知功能等方面具有重要的功能，而且可能在糖尿病和阿兹海默症的疾病发展过程中扮演了关键的角色。而且更重要的是，Epac2在许多不同的分泌细胞中，被发现具有调控cAMP介导的胞外分泌的作用。细胞中胰高血糖素样肽1（GLP-1）和移胃多肽（GIP）能与胰腺内分泌β 细胞表面受体结合，促进细胞内cAMP的生成，增加血糖诱导的胰岛素分泌。研究人员发现Epac2作为β 细胞中Epac的主要亚型介导血糖诱导的胰岛素分泌, Epac2对β 细胞胰岛素分泌的影响主要依赖于其对Ca2+信号的作用，另外Epac2能与β细胞胞吐有关的不同组件相互作用来直接调控运输小泡与细胞膜对接。

   程教授还补充道，“近期一项基于Epac2敲除动物模型的研究表明，Epac2是磺脲类药物降糖作用的必需成分——Epac2与磺脲类降糖药物细胞受体SUR1结合提高胰岛素释放。而且研究人员还发现阿兹海默症患者大脑中额叶皮质和海马区域中的Epac2表达水平相比较于正常人急剧下降。近期的研究还提出Epac2能帮助长期记忆的形成，也有助于海马区域记忆提取。Epac2活性能在分子水平上，影响淀粉样前体蛋白APP（一种阿兹海默症发展关键蛋白）的变化，通过α分泌酶途径促进APP剪切消化，从而释放神经细胞系和祖神经细胞中APP 可溶性剪切产物 (sAPPα)，这说明Epac2是一种重要的认知功能参与因素，也许在阿兹海默症发展过程中扮演了重要的角色。”

DXMS技术

   在这项研究中采用了一种称为氢/氘交换质谱测定技术（DXMS）的方法，来分析cAMP信号启动其蛋白开关Epac2的机制，为什么研究人员会选择这种方法呢，这种方法与其它蛋白结构分析方法有何区别呢？

   对此，程教授进行了解释，他说，“氢交换技术已经广泛应用于蛋白结构，蛋白动力学，蛋白质折叠, 以及蛋白构象变化研究三十多年了，这一技术的原理是蛋白骨架中的酰胺氢与溶剂中的氢(氘)交换速率与酰胺氢所在结构环境有密切关联，蛋白中形成分子内氢键的氢比暴露在蛋白表面与溶剂水形成氢键的氢交换速率要慢。而包埋在蛋白中心的氢交换速率更慢。氢交换早期主要采用含放射性氚的水溶剂, 随着蛋白质谱及核磁共振谱技术的进展, 现多采用氘水溶剂。氢/氘交换质谱测定技术结合胃蛋白酶水解，HPLC分离，以及在线质谱分析就可以极大的提高氢/氘交换交换分析的分辨率和有效性。此技术已经称为了一种高通量，全面性的，高分辨率的分析工具，可以在及亚分子水平上用于分析蛋白结构，蛋白动力学，蛋白与蛋白相互作用，蛋白与配基相互作用。

   DXMS比较于其它的高分辨率结构分析方法，比如X射线晶体分析技术和NMR，具有几个方面的优点，首先DXMS能分析浓度低的大型蛋白，和蛋白复合物，而且只需要很少的样品量。其次DXMS应用广泛，可以用于几乎所有的溶剂条件，因此可以平行进行很多实验。第三，DXMS未来也许可以在蛋白质组水平上分析复合物体系，并且可以达到单个酰胺的分辨率。这一技术主要的缺点是只能获得二维的结构信息，而不是三维的，因此DXMS尤其适合用于分析已知原子结构的蛋白的动力学和构象变化等。”

科研感触与下一步研究计划

   程教授自上个世纪90年代以来就在德州大学从事研究工作，他在生命科学研究道路上行走多年，也有自己的一些感触，当问及这一领域的科学研究应该具备哪些方面的关键素质的时候，程教授说，“与其它职业一样，从事生命科学领域的研究首先需要的是科究热情，喜爱自己所从事的工作。此外就是我多年来的一个体会——生物学错宗复杂，我们对于其大部分体系的作用原理并不清楚，因此需要开拓视野，让想象力信马由缰，并且敢于探索。当然努力是一个不可或缺的条件，毕竟科研道路上没有捷径。”

   目前程教授研究组正利用动物遗传模型，和特异性药理探针来分析Epac蛋白的生理和病理功能，希望未来能通过特异性小分子来操纵这种蛋白的功能，进一步探索细胞内cAMP介导的信号传导，研发靶向Epac蛋白的治疗新方法。

欲了解程晓东教授研究组更多信息，请查看：http://www.utmb.edu/scccb/cheng.htm

（生物通：王蕾）

原文摘要：
Mechanism of Intracellular cAMP Sensor Epac2 Activation: cAMP-induced conformational changes identified by peptide amide hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry (DXMS)

Epac2, a guanine nucleotide exchange factor, regulates a wide variety of intracellular processes in response to second messenger cAMP. In this study we have used peptide amide hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry (DXMS) to probe the solution structural and conformational dynamics of full length Epac2 in the presence and absence of cAMP. The results support a mechanism in which cAMP-induced Epac2 activation is mediated by a major hinge motion centered on the C-terminus of the second cAMP binding domain. This conformational change realigns the regulatory components of Epac2 away from the catalytic core making the later available for effector binding. Furthermore, the interface between the first and second cAMP binding domains is highly dynamic, providing an explanation of how cAMP gains access to the ligand binding sites, that, in the crystal structure, are seen to be mutually occluded by the other cAMP binding domain. Moreover, cAMP also induces conformational changes at the ionic latch/hairpin structure, which is directly involved in RAP1 binding. These results suggest that in addition to relieving the steric hindrance imposed upon the catalytic lobe by the regulatory lobe, cAMP may also be an allosteric modulator directly affecting the interaction between Epac2 and RAP1. Finally, cAMP binding also induces significant conformational changes in the Dishevelled/Egl/Pleckstrin (DEP) domain, a conserved structural motif that, while missing from the active Epac2 crystal structure, is important for Epac subcellular targeting and in vivo functions.

作者简介：

程晓东

现任中国药科大学生命科学与技术学院****讲座教授、美国德州大学终身正教授，博士生导师。1985年毕业于北京大学生物系，1988年获中科院上海生物化学研究所硕士学位，师从我国生物化学泰斗王应睐先生,1994年获美国德州大学博士学位。1995年至1999年，在美国加州大学圣地亚哥分校美国科学院院士Susan Taylor教授实验室从事博士后研究。1999年起在美国德州大学任教，主要从事肿瘤细胞信号转导及癌基因调控和致癌基理等方面研究。