整体研究G蛋白偶联受体信号通路

整体研究G蛋白偶联受体信号通路Nov15,2010NoComments研究人员利用动态质量重置法（dynamicmassredistributionassay）分析复杂的G蛋白偶联受体（Gprotein-coupledreceptor,GPCR）信号通路。尽管GPCR在药物发现中具有非常重要的作用，但是目前广泛应用于制药业的生物化学检测技术还是无法很好地分析GPCR介导的细胞的综合应答机制。在这篇文章中，Schroder等人指出，与传统检测技术相比，动态质量重置法可以绘制出更全面的GPCR信号转导图谱，从而让我们看到将整个细胞应答反应与单个信号通路连接的短暂的受体激活过程。同时，他们还分析了人类原代细胞（primaryhumancell）内GPCR介导的药物效应。这些研究表明，动态质量重置法可以作为药物发现及候选药物检测领域的一个非常强有力的工具。GPCR是7跨膜螺旋（seven-transmembrane-helix,7TM）受体。它与胞内信号蛋白偶联。这些胞内信号蛋白包括，G蛋白（Gi/Go、Gs、Gq和G12/G13），以及最新发现的β-抑制蛋白（β-arrestin）。传统的GPCR活性测定技术主要采用荧光标志物测量第二信使分子，例如磷酸肌醇（inositolphosphate）或者环磷酸腺苷（cyclicAMP）的变化水平。然而，这些方法无法非常仔细分析地细胞内复杂的生物化学信号通路。事实上，现在已经有很多例子证明了药物反应后的整体信号传导变化是有别于单个信号传导途径的。动态质量重置是一个细胞过程。当细胞内的分子改变它们的胞内位置时就会发生动态质量重置现象。我们可以经由通过细胞底部的偏振光，或采用谐振波导技术（resonantwaveguidetechnology）测量光波波长的改变而检测该现象（图1）。只要记录细胞受到配体刺激后几分钟内发生的变化的光学数据，我们就可以实时读取药物介导的细胞质量的变化信息。由于这种方法不会对细胞造成伤害，因此几乎适用于任何类型的细胞，包括于疾病相关的原代细胞。Agonist：激动剂；Gprotein：G蛋白；Redistributedcellularcontentschangeopticaldensity：细胞内含物重新分配，从而改变了细胞光密度；sensor：传感器；Light：光；Wavelength-shiftedlight：光波波长发生改变的光；celltypeA：A细胞；Response：应答；time：时间；celltypeB：B细胞；celltypeC：C细胞。图1利用动态质量重置法测量药物对不同细胞的效用。动态质量重置法可以获得光信号。这些信号是GPCR激活的所有信号通路的总和（左图）。光学信号依据不同细胞有所不同，因为不同的细胞根据不同信号通路元件的化学计量而表达不同的通路（中图）。如果激动剂在不同的细胞内具有相同的受体活性，那么不同的细胞就可以产生不同强度的应答。数量差异可以区分不同细胞内药物的不同效用。如果激动剂与细胞结合后可以激活不同的信号通路，那么相应的细胞信号元件的化学计量就会改变细胞的形状和应答强度（右图）。Schroder等人之前曾指出，GPCR的特异性配体可以产生可检测的动态质量重置信号。Schroder等人证明，整个细胞的动态质量重置应答图谱可以根据各种不同的G-蛋白通路，包括G11/G12通路绘制而成，但传统的生化检测方法则无法做到这一点。Schroder等人的努力让相关领域的研究往前迈进了一大步。他们之所以获得成功，是因为他们充分利用了能抑制或屏蔽特定通路的小分子。同时，他们还展示了如何运用动态质量重置法发现新型的、复杂的信号通路。例如，他们发现，以前曾被认为只能通过Gq/G11通路发出信号的游离脂肪酸FFA1其实也可以激活Gi通路。另外，他们还揭示了两个信号通路的相互作用：某种化合物可以提高第二信使环磷酸腺苷的胞内表达水平，如果对这种化合物进行预处理，则可以增强细胞对激动剂的应答。这种激动剂可以通过不同的第二信使——磷酸肌醇发出信号。上述成果是Schroder等人在采用动态质量重置法检测人类原代角质化细胞内激动剂的效应时获得的。他们阐明了这项技术如何检测含有原生水平的细胞表面受体的细胞的信号。动态质量再分配法所具有的这种可以揭示人类原代细胞信号应答机制的能力令药物学家感到非常兴奋。他们常常依赖动物模型进行相关研究，但这会导致临场试验出现误差。借助动态质量重置法，将有望增加实验的正确性。Schroder等人另一个值得关注的成果是，动态质量重置法可以测量特定类型的细胞应答（图1）。他们证实，人胚肾细胞HEK与中国仓鼠卵巢细胞的Gs信号通路（而不是G1/G0信号通路）是有差异的。这个发现非常重要，因为最近有证据证实某些激动剂的活性是依不同细胞而有所不同的，这与人们以往的观点并不一致。这些激动剂被称为“功能选择性”或“偏向性”激动剂。偏向性激动剂可以产生配体特异性的、具有活性的受体。这些受体可以激活不同的细胞通路。在这种情况中，药物的功效受到它所作用的不同类型的细胞影响，因为细胞会因内部信号通路元件的相对化学计量而不同。由于任何一款受试药物都会呈现出不同的激动剂偏向性，因此，所选用的用于评估人类系统内药物活性的方法非常重要。（化学计量是指有关化学组成、化学变化中，量和能量的关系及其计算。其根本出发点是原子论、质能守恒定律及一些化学的基本定律。）不过，事物都是具有两面性的，Schroder等人的研究为药物发现领域带来机遇的同时也带来了挑战。所谓机遇，就是将受体偶联机制与细胞对激动剂的表型应答相互联系，这样有助于鉴别出重要的药物表型。所谓挑战，则是采用由动态质量重置法获得的细胞特异性激动剂的大规模数据预测激动剂的治疗范围。当检测技术获得的数据非常庞大时，要细致区分不同药物效用就变得十分困难。那么，药理学家如何将动态质量重置法很好地应用于药物发现领域，既能找出药物的优点，又不会被庞杂的、复杂的数据所淹没呢？其中一种可行办法就是采用该技术在与某种激动剂相关的不同的细胞内检测同一药物的活性差异，从而鉴定对该细胞有功效的偏向性激动剂。无标记的检测技术几乎适用于任何细胞类型分析。如果细胞含有显著不同的主导信号通路，比如G蛋白或者β-抑制蛋白主导信号通路，那么受试激动剂的相关的活性就可以用来指导药物化学人员优化偏向性激动剂。尽管动态质量重置法对于理解GPCR功能方面的研究还有很长一段路要走，但Schroder等人已经为我们提供了非常好的药理学试验例子，从而将整个细胞的光学信号与细胞的次级应答反应相联系。原文检索：TerryKenakin.(2010)AholisticviewofGPCRsignaling.NatureBiotechnology,28(9):928-929.贾浩/编译