一种对心血管健康至关重要的细胞受体

心血管疾病仍然是世界各地死亡的主要原因。造成这些疾病的主要原因是高血压。

然而，要做到这一点，生物学家需要更详细的心血管调节机制的图谱。其中一种调节因子是位于心血管细胞顶部的蛋白质受体，当特定的激素分子与心血管细胞结合时，它充当信息传递的管道。

这种膜受体被称为pGC-A，它有点像恒温器，敏感地调节身体的血压，以维持对健康至关重要的平衡。该受体不仅是血管和心脏稳态的重要细胞成分，而且在脂质代谢中发挥重要作用，并参与癌症的发展。

在最新一期《科学报告》杂志上发表的一项新研究中，来自亚利桑那州立大学应用结构发现生物设计中心的研究人员和他们的同事，与罗切斯特的梅奥诊所合作，在揭开pGC-A的结构方面取得了关键的进展。

该研究首次对全长蛋白受体进行了纯化、表征和初步结构分析。研究进展包括使蛋白质结晶，并证明这些晶体能衍射x射线——这是解决该结构的两个关键步骤。

对这种复杂受体及其信号机制的更清楚的了解，为一套新的降压药铺平了道路，这可能有助于避免心脏病发作和中风，并改善从这些事件中恢复。

“这一成就是首次描述一种新型膜蛋白受体的x射线衍射，代表了Shangji Zhang的非凡努力，”合著者、生物设计研究员Debbie Hansen说。“独特的膜蛋白结构往往需要多年的努力，并建立在类似的关键进展上。”

来自罗切斯特梅奥诊所心血管医学系的合著者John C. Burnett Jr.，一直致力于基于pGC-A受体的结构，开发新型降压药的候选分子。

惊心动魄的威胁   

根据世界卫生组织的数据，全世界超过三分之一的死亡可能归因于心血管疾病。高血压是导致心血管疾病进展的主要因素之一。

高血压的负担一直在稳步增加，导致最近国家心肺血液研究所高血压工作组报告建议“开发新的药物和治疗方法，以针对不同的高血压患者群体，如顽固性高血压患者”。

难治性高血压更容易发生在肥胖、糖尿病或肾功能不全的患者中，占高血压患者的12-15%。这些人对现有疗法的反应有限或较差。当血管变得钙化和缺乏弹性，失去完全收缩和放松的能力时，就会出现这种情况。临床研究表明，治疗高血压可使中风风险降低35-40%，心力衰竭风险降低50%。

心血管疾病包括风湿和先天性心脏病;冠状动脉、脑动脉和外周动脉疾病;深静脉血栓形成;和肺栓塞。冠状动脉疾病是头号杀手，当流向心肌细胞的血液减少或阻塞时就会发生，这会导致心力衰竭。预计到2030年，仅在美国，这一疾病的发病率就将增加到700亿美元。

新的见解开始形成   

pGC-A膜受体主要以三种形式存在。这类受体非常重要，它们构成了大多数的药物靶标。对于大多数生物，无论是像细菌这样的原核生物还是像哺乳动物这样的真核生物，整整20-30%的基因组用于膜蛋白的表达。这些受体从细胞膜外突出，深入细胞内部，经常充当改变细胞行为的外部信号的通道。

然而，设计靶向膜蛋白的药物需要非常详细的受体结构蓝图，通常具有原子级别的分辨率。利用这些信息，药物设计者可以设计出一种药物，这种药物可以有选择地和精确地与细胞受体结合，从而产生特定的结果。

以pGC-A为例，结合分子是心血管系统细胞产生的肽激素。它们被称为利钠肽激素，存在于自然变异中，也可以使用基因突变进行合成设计。该受体的部分活性涉及GTP向cGMP的转化，cGMP是一种重要器官正常功能所必需的分子。

更深入的研究   

到目前为止，只有pGC-A受体的细胞外成分被鉴定。目前的工作是对全长结构，特别是跨膜域和功能胞内域区域特征的重要一步，目前对这些区域知之甚少。

为了实现这一点，研究人员使用了一种被称为杆状病毒蛋白表达的方法。这个过程包括把昆虫细胞变成微小的蛋白质生产工厂。昆虫细胞在蛋白质处理机制方面与人类细胞相似，但比哺乳动物细胞更容易培养，成本也更低。杆状病毒载体允许研究人员将一种昆虫病毒转化为运载蛋白质遗传配方的载体。

这个过程包括插入一个基因，使受体进入一种特殊类型的DNA载体或载体称为bacmid。然后，携带受体基因的重组bacmid被用来感染昆虫细胞，昆虫细胞开始制造重组杆状病毒。

然后可以提取、纯化pGC-A受体蛋白，并对其进行x射线晶体学分析，以确定其结构。这个过程是棘手的、劳动密集型的，而且很容易因为各种原因而失败。现有的许多膜蛋白中只有少数被完全鉴定，使得pGC-A的初步鉴定是一个令人印象深刻的成就。

昆虫细胞表达系统为蛋白质表达提供了一些优势，特别是在膜蛋白如pGC-A的情况下。这项技术使研究人员更容易直接从细胞膜中提取正确折叠的膜蛋白，而在大肠杆菌(e.c oli)细菌中常见的错误折叠和无功能蛋白的细菌表达。

地平线   

“这是一个巨大的成就，”汉森说。“膜蛋白的提纯并非小事，她还能够获得蛋白质的结晶和x射线衍射。”

进一步的纯化和更好的衍射数据将最终实现原子级的结构表征。

这项研究为研究其他膜蛋白的详细特性打开了大门，最终可能会找到控制高血压和其他广泛疾病的有效药物。

伯内特说:“我们的主要目标是开发基于ANP及其靶受体的突破性药物，用于治疗高血压、心力衰竭和肥胖。”“亚利桑那州立大学和梅奥团队所做的工作，并在《科学报告》上发表的报告，有助于解开受体靶点的秘密，并将加快新药的开发，真正帮助全世界的患者。”

应用结构发现中心主任Petra Fromme是本研究的资深作者，同时也是Zhang的博士导师，他对这项工作的高影响感到兴奋。

“代谢性疾病是21世纪最重要的健康威胁之一，糖尿病、高血压和心脏病每年夺走数百万人的生命，而且这个数字还在上升。对pGC-A受体的研究有可能开发出一种有效的药物，在没有严重副作用的情况下减轻症状，”她说。

文章标题

Purification, characterization, and preliminary serial crystallography diffraction advances structure determination of full-length human particulate guanylyl cyclase A receptor