《Nature》操作不到3秒，捕获“大脑中作用最快的蛋白质”

大脑中作用最快的蛋白质之一——红藻氨酸盐受体的新图像为癫痫和其他脑部疾病的靶向治疗提供了关键线索。

　　

大脑中一种作用最快的蛋白质的突破性图像提供了关键线索，可能会导致治疗癫痫和其他脑部疾病的靶向疗法的发展。大脑中红藻氨酸盐受体（kainate receptor）的闪电般快速移动对于神经元间的交流是必不可少的，但这给试图捕捉这种受体活动图像的结构生物学家带来了一个难题。

当被激活时，嵌入神经元表面的kainate受体打开离子通道，然后在几毫秒内关闭通道。

“这是结构生物学家的关键问题:你必须在通道关闭之前冻结这些分子，”哥伦比亚大学瓦格洛斯内外科医学院生物化学和分子生物物理学副教授Alexander Sobolevsky说，他领导了获得新图像的团队。

“但冻结一个分子大约需要30秒，这太慢了。”

这并不是说结构生物学家——获取图像并建立生命分子模型的科学家——没有尝试过。

红藻氨酸盐受体的功能障碍与癫痫有关，并与许多其他脑部疾病有关，包括抑郁症、焦虑症和自闭症。对于药物开发人员来说，这是一个理想的靶点，但只有少数批准的药物可以安全地靶向这种受体。

Sobolevsky说:“每个人都在试图获得受体活动的图像，这样我们就能了解它是如何工作的，并设计出控制它的药物。”

两项创新的成功

“捕捉活性受体的图像是一个长期存在的科学问题，我们一直试图解决这个问题，”Sobolevsky实验室的副研究科学家Shanti Pal Gangwar说。通道在激活过程中保持开放的时间，只有几毫秒，对于用冷冻电子显微镜(cryo-EM)对受体进行常规冷冻来说太短了。冷冻电子显微镜是Sobolevsky实验室用来成像生命分子的结构生物学技术。

为了获得受体活动的图像，Sobolevsky团队开发了两种不同的技巧来减缓通道关闭和加速冻结过程。

首先，研究小组寻找粘附在受体上并保持其开放的分子。他们发现了两种这样的分子——BPAM和凝集素Concanavalin A。类似药物的小分子BPAM将通道的打开时间延长了几百毫秒，但这种延迟仍然不足以使通道处于打开状态。只有在加入凝集素(一种与糖蛋白修饰的糖结合的蛋白质)之后，通道才会保持开放几秒钟。

电生理记录是确定时间的关键。“通过这些记录，我发现单靠BPAM或凝集素无法使通道保持足够长的开放时间，”Sobolevsky实验室的副研究员、电生理学专家Maria Yelshanskaya说。“当我看到BPAM和凝集素的协同效应时，我们就像找到了灵感。”

对于传统的冷冻电镜冷冻来说，几秒钟的时间还是太快了。传统的冷冻电镜冷冻需要大约30秒的时间将样品放入液态乙烷中，并为成像做好准备。因此，Sobolevsky实验室的博士后研究科学家Kirill Nadezhdin设计了一个机器人柱塞，可以在不到3秒的时间内浸泡样品，将受体(与BPAM和凝集素结合)困在开放状态。

借助机器人柱塞和分子稳定剂，Sobolevsky的团队捕捉到了各种开放构型的kainate受体的图像。

“这两项创新都是必要的，”Sobolevsky说。“我们不可能只用一种或另一种来捕捉受体的开放状态。”

图像为新药提供线索

开放kainate受体的图像为药物开发人员提供了关键信息。

一些药物，离子通道阻滞剂，就像酒瓶里的软木塞一样，堵塞了开放的通道。Sobolevsky说:“你需要一个开放通道的结构来制造一种完美的、原子与原子之间的契合的药物。”

这些图像还显示了perampanel(一种以kainate受体为靶点的癫痫药物)如何被优化为针对特定版本的kainate受体，并为患者提供更精确的药物。合作者们已经在利用Sobolevsky的实验室图像，通过计算机建模来探索这种药物可能发生的变化。

Sobolevsky团队开发的方法应该可以帮助其他研究人员获得更多的开放kainate受体和其他类型的快速工作分子的图像。

Sobolevsky说:“我们拥有的图像越多，模型就会越好，我们的药物也会越好。”

Kainate receptor channel opening and gating mechanism