Science：Wnt蛋白家族首张图谱

　　

生物通报道  Wnt家族的20种蛋白是在调控生物体发育和生长机制中起最重要作用的一些蛋白质，然而30年来科学家们都不清楚这些重要的蛋白质的真正面目。标准的可视化技术无法解析这些蛋白，很大程度上是因为它们不能很好地溶解在通常用于生化研究的以水为基础的液体中。

来自霍华德休斯研究所的研究人员K. Christopher Garcia和斯坦福大学医学院的博士后研究人员Claudia Janda想出了一种方法可以让这些蛋白质更好地发挥作用，他们由此成功地解开了首个Wnt蛋白的结构。

他们的研究发布在6月1日的《科学》（Science）杂志上，揭示了一个意想不到的三维形状，从而为了解Wnt蛋白如何发挥功能以及阐明它的Frizzled受体靶点性质让药物研发者设计出治疗癌症及其他疾病的抗Wnt治疗提供了一些线索。“最终获得进入Wnts结构的途径，我认为这将为我们从分子上解析Wnt蛋白在生物过程中的功能开启全新的时代，”Garcia说。

Wnt蛋白是由美国国家癌症研究所现任主任Harold Varmus和现在斯坦福大学的HHMI研究员Roel Nusse于30年前首次发现。他们观察到一个Wnt蛋白的编码基因Wnt1在来自小鼠的乳腺癌细胞中非常活跃。在过去的数十年里，研究人员证实Wnt蛋白在胚胎发育、组织再生、骨生长、干细胞分化以及大量的人类癌症中均发挥关键性的作用。Wnt蛋白帮助确定细胞的身份，告诉它们如何运作。

“这是在人类和脊椎动物生物学中最重要的一个配体-受体系统。Wnt跨越各个领域，这就是我为什么参与其中的原因。许多优秀的团队都曾试图在实验室表达它们，并解析它们的结构，因此我们意识到破解这一难题需要有一些非直观的东西，”Garcia说。

2003年，Nusse研究小组发现了一直试图分离出Wnt蛋白的科学家们遇到如此多困难阻碍的原因：蛋白质包含的脂质使得它无法溶解在以水为基础的溶液中。科学家们意识到他们采取将蛋白质置于包含洗涤剂（detergent）的混合物中的策略就可以稳定它们，从而为一大堆分离Wnts的生化试验铺平了道路。但是这样的包含洗涤剂的混合物仍然为用结构分析技术结晶和可视化这些蛋白设置了障碍。

“这确实为解析这些蛋白质造成了很大的困难，”Garcia说。然而他和Janda有了一个想法：如果他们在相同的细胞中同时表达一种Wnt蛋白和结合受体会发生什么事情呢？他们想或许受体会遮盖Wnt蛋白暴露的脂质，使得它能够溶解在他们需要的溶液中。

这一技术发挥了作用——他们生成了结合Frizzled-8的Wnt8蛋白。Frizzled-8是20种Wnt蛋白结合执行细胞效应的10种Frizzled受体当中的一种。

Garcia说：“这是我曾见过的最不同寻常的蛋白质结构之一。它看起就像一个螃蟹，两只钳子环抱并抓住Frizzled受体。当我们最初解析它时，我们无法看出Wnt8结构与从前描述过的任何其他结构之间的关系。然而，现在我们开始看到了Wnt折叠的进化性起源。这一故事还在延续。”

Garcia期望其他的Wnt蛋白也可能具有类似的结构，它们各自的Frizzled受体能够掩盖附着在蛋白质上的脂质，这意味着他们的方法应该可以适应于其他的Wnts蛋白。他现在希望能深入探究这些结构，从而解答出哪些Wnt-Frizzled配对对哪种生物功能负责？共同受体如何结合到配对上，以及如何改变结构优化互作等问题。

Garcia 说：“我们现在在结构中能够看到一些关于Wnts为何难于表达的线索，这是因为它们的脂质暴露。因此现在我们能够思考重建这一蛋白质的途径，帮助在不改变功能的情况下解决表达的问题。”

但它不只是Wnts的基础科学，利用新方法推动解析出它们的结构和新的结构数据。Wnts长期以来被认为是癌症和其他疾病的一个有潜力的药物靶点。知道它们的结构提供了巨大的优势，开发出结合Wnts的化合物。

Garcia说：“已经有一些制药公司正在研发抗Wnt和抗Frizzled拮抗抗体作为药物。但是缺乏结构信息，他们一直在黑暗中工作。因此我真的认为它将开启一个全新的时代，不仅对这些蛋白质的基础生物学，而且也对它们的治疗潜能。我们目前正在试图操纵Frizzled特异性的Wnts以更好地了解某个特定的Wnt在生物和疾病过程中的作用，以及评估选择性阻断或激活Wnt信号通路的效应。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Structural Basis of Wnt Recognition by Frizzled

Wnts are lipid-modified morphogens that play critical roles in development principally through engagement of Frizzled receptors. The 3.25 Å structure of Xenopus Wnt8 (XWnt8) in complex with mouse Frizzled-8 cysteine-rich domain (CRD) reveals an unusual two-domain Wnt structure, not obviously related to known protein folds, resembling a “hand” with “thumb” and “index” fingers extended to grasp the Fz8-CRD at two distinct binding sites. One site is dominated by a palmitoleic acid lipid group projecting from Serine 187 at the tip of Wnt’s thumb into a deep groove in the Fz8-CRD. In the second binding site, the conserved tip of Wnt’s "index finger" forms hydrophobic amino acid contacts with a depression on the opposite side of the Fz8-CRD. The conservation of amino acids in both interfaces appears to facilitate ligand-receptor cross-reactivity, which has important implications for understanding Wnt’s functional pleiotropy and for developing Wnt-based drugs for cancer and regenerative medicine.