一个信号的荣誉

一些诺贝尔奖的故事开始于一个尤里卡时刻,顿悟,转变的过程中一个特定的研究人员询问的新的方向。对于今年的化学奖。

难以理解和想象的复杂性G-protein-coupled受体(GPCRs)和他们的影响几乎身体的每一个细胞都已经几十年。一路上的步骤,有时,被烦恼地小;每个片段的进步已经拼凑,直到图片最终开始出现。

花了非凡的激情、承诺和顽强的决心的今年的获奖者,罗伯特·莱夫科维茨霍华德•休斯医学研究所和达勒姆的杜克大学,布莱恩Kobilka斯坦福大学,美国,以及许多学生和合作者。

但他们的工作打开了一扇门理解信息的方法以外的细胞——形式的激素,神经递质,药物分子与其它各种信号分子在我们的身体内细胞转化为行动。GPCR蛋白家族是巨大的,大约有800在人类,其中大约一半是给我们的嗅觉受体的嗅觉。另一半响应信号分子如肾上腺素、多巴胺和组胺,以及某些脂类和肽激素。这些分子在细胞外,但GPCR的构象变化触发不同的内部反应由g。

“他们所做的就是给我们一个完整的分子的理解最重要的一个类别的蛋白质,”马歇尔说,菲奥娜,GPCR-based药物发现公司的首席科学官Heptares。“你能想到的几乎所有疾病,有GPCR疾病就有可能成为复星的投资目标。大约40%的现有市场上的这个家族的受体,”她补充道。

父亲的

当你进入这样一个领域,有些人永远只是似乎一直在该领域,像莱夫科维茨,他似乎已经做了一切!说克里斯•泰特、研究GPCRs和其他膜蛋白分子生物学医学研究委员会实验室(LMB)在剑桥,英国。他参与了克隆受体,以及解决药理学和生物化学。和Kobilka涉及伊始,第一个受体的克隆,所以他们都是真正的父亲。”

的大小问题变得清晰莱夫科维茨解释涉及的步骤:发展中放射性标记配体受体结合,以及工具标签和跟踪他们的活动;其次是净化第一个受体。“难以置信的困难,已经过去十年了,”他说。不仅仅需要一种溶解的受体,但在200000 - 400000倍净化这些蛋白质是真正微量污染物的等离子体膜。我们从来没有超过25或50µg纯受体在任何时间,因为它是如此的困难。”

但最终他们能够获得足够的纯受体片段的蛋白质序列。,他们可以得到的DNA序列和基因编码的受体,因此他们可以克隆和表达数量足够大的结晶。的每一个步骤被各种各样的技术障碍抱愧蒙羞,”莱夫科维茨说。“这是一只熊在每一个阶段,一直持续到现在。

但是一旦最初的隔离工作,整个家庭之间的亲密关系可以利用GPCRs寻找相似的序列。首先,没有办法的(除了净化本机受体),”莱夫科维茨解释说。但通过这些序列,我们可以克隆前几受体,然后那些像罗塞塔石碑,人们可以使用相同的技术,渐渐地,扩大家庭。”

水晶难题

而莱夫科维茨和他的团队集中在开裂的生物化学和药理学GPCRs函数,一个克隆的博士后参与努力,Brian Kobilka成为关注的结构。

一旦他离开了鲍勃的实验室,很明显他是在得到这些受体的三维结构,”说米歇尔布维耶与Kobilka重叠与莱夫科维茨作为一个博士后,现在研究GPCRs在加拿大蒙特利尔大学的。几乎所有在他的实验室已与结构信息的获取。

Bouvier解释说,Kobilka最大的优势之一是建立合作,利用在各领域的专家,然后将专业知识应用到GPCR的问题——如何修改蛋白质使他们更稳定;如何净化他们大量;如何使具体化,然后使用最好的晶体学家们良好的结构。但他是整件事情背后的力量,”布维耶补充道

他还指出,Kobilka是一心一意的追求,实际上花了15年才产生了一个成功的晶体结构,可能是他的垮台。“这是他的巨大风险;有时他损失了很多资金,实验室可能是大麻烦,”布维耶说。”他把大赌博,他将通过这样让很多人很开心——布莱恩是一个大家都喜欢的人。”

Kobilka自己很快强调别人的角色在让他走了。拥有一个支持你的妻子,他也一直是合作伙伴在科学、前进的可能是最重要的因素当事情不顺利时,“他说。我也很幸运有很大的同事,学生和博士后研究人员。通太阳Kobilka的妻子,他训练有素的医生,与他在斯坦福大学合作,是子公司的首席执行官,他们共同创立,ConfometRx。

的一些策略Kobilka集团用于研究结构生物学的GPCRs相当一般。泰特指出,其中一个循环之间的特点形成螺旋membrane-spanning部分结晶的受体可能特别棘手,因为它往往是相当灵活的。替换部分的蛋白质与酶的序列T4溶菌酶已被证明是非常成功的策略,导致几受体结构。

虽然Kobilka已经率先认GPCRs自2007年出版的第一个结构,他的团队的出版肾上腺素受体的蛋白复合体的信号伙伴站。这是最让布莱恩远远超出其他人,“泰特说。“我真的不知道要重复多少次,因为这是真的很难做。”

泰特解释说,g,与受体结合时,非常不稳定,所以团队使用的抗体片段骆驼稳定的三个子单元之间的界面蛋白具体化。“真的第一次表明如何激活GPCR可以激活蛋白,”他说。

只有一半的故事

如果g蛋白信号被GPCRs唯一途径激活,那仍将是了不起的。然而,只关注g是错过受体的生物化学的一个重要方面。当激活时,一个GPCR与蛋白相互作用。它也成为磷酸化在多个网站,从而导致绑定的beta-arrestin关掉g蛋白信号,”莱夫科维茨解释说。这也是受体脱敏效果的机制刺激——即使在细胞外信号分子的浓度高,在几分钟内蛋白活动将会停止。

但莱夫科维茨和他的团队发现beta-arrestins也可以触发自己的信号通路。它们不仅关闭g蛋白信号,但他们可以激活g信号级联,是完全独立的,或涉及g和arrestins的组合。

莱夫科维茨也开始发现分子,可以选择性地打开一个或其他的途径——即所谓的“偏见”配体。意识到可能的药物影响,他设立了一个子公司Trevena和他的几个博士后进行进一步的探索研究。

进行业

Jon小提琴,一个博士后,现在Trevena成立的生物学解释说,公司使用专有化验筛选化合物选择性地打开一个通道。他们遵循这一经典迭代药物化学方法提高选择性和效力,同时发展结构活性关系指导进一步的研究。

小提琴解释说,在某些疾病,所需的医疗效果相关联的一个途径,并引发的副作用主要是其他,所以一个有偏见的配体将是一个更好的药物。例如,Trevena复合TRV130在第一阶段的临床试验,现在,目标mu-opioid受体和选择性地打开只有蛋白通路。吗啡等阿片类止痛药的一系列负面影响,“说小提琴。他们导致呼吸衰竭(这就是导致死亡在过量的情况下),胃肠道功能障碍,恶心、呕吐,便秘,显然他们也上瘾。

测试小鼠缺乏beta-arrestin通路表示,大部分的副作用是由beta-arrestin信号、小提琴说。”如果你能找到一种类似吗啡的药物的镇痛效果,也就是由g蛋白耦合,但避免beta-arrestin,那么你可能有一个更好的药物。这就是TRV130——在临床前研究中我们发现这是一个非常强大的止痛剂,降低呼吸道抑郁和便秘。

但小提琴还指出,有时完全相反。另一个Trevena化合物,TRV027,有选择地打开beta-arrestin血管紧张素受体信号。这个项目的灵感来自血管紧张素受体阻滞剂(arb)广泛用于控制高血压(高血压)。当有人给出一个ARB,我们知道从绑定的临床效益通过阻断血管紧张素的受体蛋白停止活动,”他解释说。但ARBs药物也防止血管紧张素打开beta-arrestin通路和其中的一些是好。”

我们使用这些结构虚拟筛选、药物设计和优化

结构数据也指导努力开发新的和更好的一系列GPCRs药物目标。如果你在制药业务,你想知道你感兴趣的每个GPCR的结构,并且最好多个结构与不同的配体结合,因为你感兴趣的是如何改变这些配体影响疗效或选择性,”泰特说。

这就是英国公司Heptares,由一群科学家LMB的剑桥,包括泰特,努力的方向。我们发展我们自己的方式得到x射线结构GPCRs,稍微不同的方法,布莱恩Kobilka,“说Heptares马歇尔。“它涉及工程蛋白质使他们更加稳定,所以他们不依赖于膜的环境。”这意味着蛋白质可以分离,纯化,在片段筛选用于药物发现,或结晶来确定其结构。“我们现在已经有了大量的结构,我们使用这些结构在虚拟筛选,药物设计和优化,”马歇尔说。“我们已经能够使用的知识结构得到选择性,这在以前是没有的。”

泰特认为,GPCR的过渡结构生物学从纯学术的一个工业设置标志着一个转折点。的行业通常是相当保守这样的有挑战性的项目,但是现在做,这是非常激动人心的,”他说。

再次在一起

莱夫科维茨和Kobilka也对未来的热情;事实上,这两个集团最近开始合作了。协作的一部分是为了使具体化血管紧张素受体,莱夫科维茨说,这强调了这样一个事实,尽管许多技术Kobilka介绍了相当一般,仍然没有一个成功的保证结构。我们一直在一起工作3 - 4年,,就不会工作。我们用尽招数在书中,”他说。是华丽的,因为我们有完全G-biased和完全beta-arrestin-biased配体,但我们不能使具体化该死的东西!”

另一个目标是解决beta-arrestins GPCRs耦合结构。我们还有很多要了解特定GPCRs一对特定蛋白亚型,以及其他信号和调节蛋白,“Kobilka说。”其中的一些问题可能会回答的结晶学;然而,它不可能使具体化所有功能相关的交互,所以我们需要应用其他生物化学和生物物理方法。

难以破译的g的奥秘还远未结束,这无疑是重大挑战。Kobilka,这是最大的激励因素之一。“我相信大多数科学家享受解决难题的过程一样,实现我们的目标,”他说,“我们经常从我们的失败中学习,帮助我们前进。”

一个家庭的事情

莱夫科维茨说,很明显,今年的诺贝尔奖不仅是承认伟大的科学,也是伟大的指导。大量的世界顶级GPCR与莱夫科维茨研究人员训练有素,Kobilka或两者兼而有之。莱夫科维茨解释说,他越来越意识到导师的重要性在他的职业生涯。当指导,像其他一切事物一样,你要发挥自己的长处。我知道布莱恩被看作是一个很棒的指导他的学生和学者,但他的性格和我不能进一步分开,所以没有办法我们可以指导以同样的方式。但这并不意味着我们不可能都是很好的导师。

“我性格的一部分,对我来说,我的实验室里就像一个家庭,”莱夫科维茨补充道。我喜欢想弄人,找出什么是我认为他们的潜力。然后我几乎把它作为一个个人挑战,看看我能得到每一个人,至少在他们和我,看到它就像工作在最佳水平的活动。你必须和不同的人以不同的方式取决于他们的天赋。

,我和布莱恩分享这个奖使它比如果我得到它,或与别人分享它和我没有火车。感觉完美,”他说。