发现新的代谢“开关”

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[生物通讯]来自Howard Hughes医学研究院和杜克大学医学中心的研究人员在酵母中发现了G蛋白中一类新的代谢开关。如果发现人体中也存在类似蛋白，将导致治疗糖尿病、酒精中毒和心脏病等疾病新药的产生。

    这项研究由美国国家卫生院和Burroughs Wellcome 基金会资助，发表在2002年7月19日期的《分子细胞》（Molecular Cell)杂志上。研究作者包括Howard Hughes医学研究院的研究员Joseph Heitman博士、Toshiaki Harashima博士、以及杜克大学微生物发病机理研究中心的研究人员。

    受体与配体结合后即与膜上的偶联蛋白结合，使其释放活性因子，再与效应器发生反应。 位于受体与效应器之间的则是偶联蛋白。目前所知的偶联蛋白种类较多，都属于结构和功能极为类似的一个家族，由于它们都能结合并水解GTP，所以通常称为G蛋白，即鸟苷酸调节蛋白(guanine nucleotide regulatory protein)。细胞信号传导是所有活生物体具有的一种十分重要的生理功能。80年代，Rodbell等发现跨膜信号传导需要GTP的存在；后来，Gilman等人发现Gs(刺激型G蛋白)在细胞信号传导途径中的作用及其功能，两人并由此于1994年获诺贝尔医学生理学奖。

    大量研究还发现G蛋白偶联信号传导系统在高等动物、简单真核生物、昆虫及植物中普遍存在。目前对该系统各组份的不断研究和已成为生物化学和分子生物学领域的研究热点。G蛋白是机体内部代谢通路“配电盘”的关键控制器。它们通常位于细胞膜内壁，附着到细胞表面的“G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptors，GPCRs) ”上，应答激素等外部化学信号。一旦这样的外部信号激活一个受体，受体就会打开其偶联的G蛋白，诱导细胞对外部信号做出应答。G蛋白控制着机体所有组织中细胞的应答，包括心、肺、肾上腺、肝、大脑以及其它器官等。人体G蛋白出现故障会导致糖尿病、酒精中毒和百日咳等疾病。

    迄今，科学家已报道发现了约450个编码G蛋白的基因。与G蛋白受体有关的代谢途径已成为成百上千种药物的作用靶点，包括抗组胺剂、精神抑制药、抗抑郁药以及抗高血压药物等。当今市面上销售的药物至少有50％是以G蛋白偶联受体为作用目标靶。然而，这些蛋白中还有许多功能未知。在人类中，仅大脑就有超过1000种G蛋白偶联受体，这表明GPCRs和它们的相关G蛋白的研究蕴藏着巨大的药物研发潜力。

    “这一类新G蛋白，如果最终证明也存在于人体中，可能在细胞和机体感知对于健康和疾病都十分重要的独特信号过程扮演着某种角色。”Heitman 推测说。

    研究人员的研究焦点集中在酵母的一个G蛋白偶联受体－－Gpr1 上，Gpr1 与称为Gpa2的G蛋白偶联。在功能上，Gpr1 受体负责感知酵母细胞环境中的葡萄糖，激活Gpa2以启动酵母细胞伸长并产生从集落中延伸进入培养基中寻找营养的纤丝的生长过程。

    G蛋白属于三聚体蛋白，由α、β、γ三个不同的亚单位构成，每一亚单位都在向细胞器传递代谢信号中起着不同作用。由于Gpa2 与α亚单位关系最密切，因而研究人员希望找到GPa2中的β和γ亚单位，但最终没有找到。据Heitman透露，这两种亚单位的缺席引发了GPa2 是独立行使功能，还是存在尚未发现的G蛋白亚单位的疑问。

    “我们按照竭力赛跑的原理类推。”Heitman说。“跑一场接力赛通常需要4名运动员，如果其中一名缺席，接力棒就无法传递下去。信号传导通路也是如此，谁是从第一名运动员手中接过接力棒，传递给到最后一名运送员手中的第二、第三名运动员？它们是漏掉一名运动员还是存在着我们不认识的运动员？”

    试图回答这些问题，导致Heitman和他的同事最终识别出3个新G蛋白亚单位：其中两个是相关亚单位Gpb1 和Gpb2，第三个称为Gpg1。

    这三个新发现的亚单位为无关蛋白也可能具有相似生物学功能的观点提供了一个范例，Heitman 说。蛋白质是由氨基酸长链组成的，一旦合成，蛋白质就要折叠成复杂的球形，发挥酶的功能。执行相似功能的蛋白质通常也有着同样的氨基酸序列。但在这里，尽管Gpb1 与 Gpb2蛋白的功能类似G蛋白的β亚单位，但它们的氨基酸序列与β亚单位的氨基酸序列却缺少相似性。

    通过生化和遗传学分析，研究人员发现Gpa2 起着活化信号传导的作用，这意味着Gpa2 执行着打开信号传导通路的“分子开合器”的功能。另一方面，Gpb1和Gpb2亚单位起着抑制信号传导的作用，这说明这两种蛋白执行着限制Gpa2蛋白与代谢通路中的其它未知靶点之间的信号传导的“分子闸门”的功能。研究人员还发现，通过Gpb1与Gpb2， Gpg1亚单位似乎与Gpa2亚单位间存在着相互作用。

    有趣的是，研究人员发现，与G蛋白的β亚单位相比Gpb1 和Gpb2的亚单位结构的关键部分含有高度分化的氨基酸重复序列；然而一旦它们折叠成工作形状，它们的功能仍然相似。这种不同分子或结构具有相似功能的进化方式称为“趋同进化（convergent evolutioconvergent ）”。

    “由于这两个完全不同的重复蛋白家族能够折叠成相似形状，这标志着相关结构趋同进化的一个引人注目的范例。研究结果还进一步提示我们，还可能存在两个结构相关但序列差异较大的三聚体G蛋白家族。”Heitman推测。

    Heitman和他的同事将继续研究新发现的G蛋白的结构。他们还计划识别与G蛋白互作的分子目标靶并研究这些蛋白是否存在于多细胞生物体如昆虫、植物和动物中。

联系人：Amy Reyes , [phone] or [phone] [e-mail] 

消息来源：Howard Hughes医学研究院

生物通摘译自BIO.COM