兴大报告学术笔记—Ichio Shimada 教授

应北京大学化学学院唐淳教授的邀请,RIKEN BDR生物分子动态结构实验室的组长,著名学者Ichio Shimada 教授,于2021年10月29日下午,在线上为北京大学的师生们做了题为“Function-Related Dynamics of Membrane Proteins by NMR”的兴大报告。

报告主要分为两部分:离子通道的激活与关闭机理;以及G蛋白偶联受体的工作机制。

生物膜对离子的通透性与多种生命活动过程密切相关,细胞基于离子浓度的差异进行快速的信号传导。其通过膜上某些通道的开闭,改变细胞内外离子浓度,实现信号传导。此过程在细菌、植物以及动物内广泛存在。肌肉收缩(钙离子)和神经细胞信号传导(钠钾离子)均依赖于通道蛋白的动态变化。

由此,研究通道蛋白开闭状态的动态转换,对于理解生物的信号传导过程具有重要的意义。Ichio Shimada 教授对钾离子通道的动态变化过程进行了详细深入的讨论,揭示了离子通道激活与非激活状态的差异,以及打开状态下呈现非活化状态的原因。

其结合温度和pH对通道蛋白行为的调控,使用甲基TROSY谱和EXSY谱表征了蛋白major和minor态的变化,并结合不同突变对蛋白激活态比例的影响,定位了决定蛋白活性和构象的关键残基。之后又通过钾离子浓度对蛋白结构的影响,证明了通道蛋白在open和close态下对钾离子的结合强度存在显著差异,即close态与钾离子的强烈结合阻断了离子的通过。最后,通过与水分子的NOE实验,观察到inactivated状态下活性位点与水分子之间的结合,由此证明活性位点被水分子阻断是inactivated态形成的原因。Shimada 教授的研究为相关药物的研发提供了一种全新的策略。

本次报告的另一个重要部分是对于G蛋白偶联受体(GPCR)的研究。G蛋白偶联受体见于真核生物中,参与了诸多细胞信号传导过程。其结合细胞周围的化学物质后,激活信号通路,引起细胞状态的改变,参与了气味、激素、神经递质等的作用过程。一些特殊的受体也可以被非化学性的刺激激活,如感光细胞中的视紫红质可被光激活,参与视觉过程。

可以看到,GPCR是信号传导的重要蛋白,自然也成为了人为调控的最佳位点。目前GPCR是25%现代药物的靶点,共占据药物销量榜上50%的位置。许多靶向G蛋白偶联受体的药物以不同强度诱导或抑制其信号转导来实现治疗。目前已有几种X射线晶体学确定的配体复合GPCR结构,但是对信号水平差异的分子机制的认知仍不清楚。

Shimada教授的研究阐释了不同信号传导效率产生的机制,以及基础活性的产生原因。其利用82位甲硫氨酸残基作为核磁共振探针,监测β2肾上腺素受体(β2AR)结合中性拮抗剂和部分激动剂时的信号,反映了激活后跨膜区的构象变化。Shimada教授组表明,各种活性的构象之间存在平衡,各个构象所占的比例决定了配体结合状态下的信号转导水平。

之后,Shimada 教授组构建了脂质的蛋白结合体(nanodisc和micelles)用于β2AR膜内结构的表征,研究了蛋白在不同构象间转换的速率,证实了GPCR的动态行为对功能的重要影响。

在后续的工作中,他们选择性的标记了亮氨酸,结合PRE实验测定了反向激动剂结合态的结构。结合溶液PRE得到的溶液可及性,研究了脂质体对于构象的影响,说明了TM6域的旋转与G蛋白激活的关系。

A2AAR存在于多个构象的平衡中,nanodiscs中的DHA链提高了其传导活性,但这一过程并未改变激活态和非激活态的比例,而是改变了几个激活态的比例,从而得到更高的结合能力。这一研究为人们认识GPCR这一信号通路提供了更为详尽的图景。

报告结束后,Ichio Shimada教授与同学们进行了热烈的讨论。最后由高毅勤老师和唐淳老师在线向Ichio Shimada教授赠送了“兴大报告”纪念牌,报告在大家的掌声中圆满结束。

Ichio Shimada教授简介

Ichio Shimada教授是RIKEN BDR生物分子动态结构实验室的组长。他的研究方向是开发NMR方法,用于较大蛋白质(包括膜蛋白)和蛋白质复合物的功能分析。

Ichio Shimada教授担任东京大学药学研究生院教授和院长,以及日本国家先进工业科学技术研究所(AIST)生物医学信息研究中心的主任和科学顾问。

他目前是国际生物系统磁共振理事会(ICMRBS)和国际磁共振学会(ISMAR)的理事会成员,并于2017年因其在磁共振领域的贡献而当选为ISMAR会士。

文:孟令屾 图:孟令屾

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