大腦中一種作用最快的蛋白質的突破性圖像提供了關鍵線索，可能會導致治療癲癇和其他腦部疾病的靶向療法的發展。大腦中紅藻氨酸鹽受體（kainate receptor）的閃電般快速移動對于神經元間的交流是必不可少的，但這給試圖捕捉這種受體活動圖像的結構生物學家帶來了一個難題。
當被激活時，嵌入神經元表面的kainate受體打開離子通道，然后在幾毫秒內關閉通道。
“這是結構生物學家的關鍵問題:你必須在通道關閉之前凍結這些分子，”哥倫比亞大學瓦格洛斯內外科醫學院生物化學和分子生物物理學副教授Alexander Sobolevsky說，他領導了獲得新圖像的團隊。
“但凍結一個分子大約需要30秒，這太慢了。”
這并不是說結構生物學家——獲取圖像并建立生命分子模型的科學家——沒有嘗試過。
紅藻氨酸鹽受體的功能障礙與癲癇有關，并與許多其他腦部疾病有關，包括抑郁癥、焦慮癥和自閉癥。對于藥物開發人員來說，這是一個理想的靶點，但只有少數批準的藥物可以安全地靶向這種受體。
Sobolevsky說:“每個人都在試圖獲得受體活動的圖像，這樣我們就能了解它是如何工作的，并設計出控制它的藥物。”
兩項創新的成功
“捕捉活性受體的圖像是一個長期存在的科學問題，我們一直試圖解決這個問題，”Sobolevsky實驗室的副研究科學家Shanti Pal Gangwar說。通道在激活過程中保持開放的時間，只有幾毫秒，對于用冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)對受體進行常規冷凍來說太短了。冷凍電子顯微鏡是Sobolevsky實驗室用來成像生命分子的結構生物學技術。
為了獲得受體活動的圖像，Sobolevsky團隊開發了兩種不同的技巧來減緩通道關閉和加速凍結過程。
首先，研究小組尋找粘附在受體上并保持其開放的分子。他們發現了兩種這樣的分子——BPAM和凝集素Concanavalin A。類似藥物的小分子BPAM將通道的打開時間延長了幾百毫秒，但這種延遲仍然不足以使通道處于打開狀態。只有在加入凝集素(一種與糖蛋白修飾的糖結合的蛋白質)之后，通道才會保持開放幾秒鐘。
電生理記錄是確定時間的關鍵。“通過這些記錄，我發現單靠BPAM或凝集素無法使通道保持足夠長的開放時間，”Sobolevsky實驗室的副研究員、電生理學專家Maria Yelshanskaya說。“當我看到BPAM和凝集素的協同效應時，我們就像找到了靈感。”
對于傳統的冷凍電鏡冷凍來說，幾秒鐘的時間還是太快了。傳統的冷凍電鏡冷凍需要大約30秒的時間將樣品放入液態乙烷中，并為成像做好準備。因此，Sobolevsky實驗室的博士后研究科學家Kirill Nadezhdin設計了一個機器人柱塞，可以在不到3秒的時間內浸泡樣品，將受體(與BPAM和凝集素結合)困在開放狀態。
借助機器人柱塞和分子穩定劑，Sobolevsky的團隊捕捉到了各種開放構型的kainate受體的圖像。
“這兩項創新都是必要的，”Sobolevsky說。“我們不可能只用一種或另一種來捕捉受體的開放狀態。”
圖像為新藥提供線索
開放kainate受體的圖像為藥物開發人員提供了關鍵信息。
一些藥物，離子通道阻滯劑，就像酒瓶里的軟木塞一樣，堵塞了開放的通道。Sobolevsky說:“你需要一個開放通道的結構來制造一種完美的、原子與原子之間的契合的藥物。”
這些圖像還顯示了perampanel(一種以kainate受體為靶點的癲癇藥物)如何被優化為針對特定版本的kainate受體，并為患者提供更精確的藥物。合作者們已經在利用Sobolevsky的實驗室圖像，通過計算機建模來探索這種藥物可能發生的變化。
Sobolevsky團隊開發的方法應該可以幫助其他研究人員獲得更多的開放kainate受體和其他類型的快速工作分子的圖像。
Sobolevsky說:“我們擁有的圖像越多，模型就會越好，我們的藥物也會越好。”
Kainate receptor channel opening and gating mechanism
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-6/20240618065733241.htm） | 
