超过三分之一的FDA批准的药物作用于一个特定的蛋白家族：G蛋白偶联受体(GPCR)。治疗高血压、哮喘、癌症、糖尿病和无数其他疾病的药物对整个身体来说都是GPCR——但最近的一项研究显示了接下来会发生什么。在《细胞》杂志发表的结果中，研究人员概述了事件的时间线，包括GPCR的不同部分何时以及如何与其G蛋白信号伴侣相互作用。这些发现为药物诱导细胞内信号转导的基本机制提供了新的见解，包括识别GPCR中最关键的部分，以靶向开发新的疗法。

“我们可以看到——从毫秒到分钟的时间尺度——GPCR遇到其下游信号伙伴并催化其结构变化的详细事件序列，这为理解其信号提供了基础，”通讯作者大卫说。洛多夫斯基博士，凯斯西储大学医学院营养系助理教授。“最令人兴奋的是，我们可以以时间分辨的方式跟踪信号传输。我们首先快速混合激活的GPCR及其G蛋白信号伴侣，然后沿着自然信号通路捕捉时间分辨的细节。”

研究人员使用一种称为“放射性足迹”的强大技术来观察GPCR信号复合物的形成，这种技术将蛋白质的化学标记与质量分析结合起来。在这项技术中，利用高强度X射线从蛋白质周围的水中产生高反应性的化学标记物，从而实现蛋白质中感兴趣区域的“快照”。这种X射线足迹技术是由凯斯西储大学医学院副研究主任马克钱斯(Mark Chance)博士发起的，他也是这篇手稿的合著者。

“我们的足迹方法有效地标记了蛋白质的外部，”Lodowski解释道。“如果一种蛋白质被单独标记，然后它在复合物中没有被标记，我们知道它很可能是相互作用的表面。”这种方法有助于研究人员理解GPCR如何利用其表面的不同部分来结合G蛋白。

以前的研究表明，GPCR处于静止状态(激活前)，并且在与其他蛋白质形成复合物后很长时间(信号转导结束)。中间步骤更加难以捉摸。洛多夫斯基说，“我们现在正进入第四维度——时间维度——这些复合体是如何形成的。”

激活的GPCR与细胞中特定的G蛋白形成复合物，控制细胞功能。这个过程将信息(例如，信号)从GPCR传送到信令伙伴。这项研究揭示了这一过程的细节，这一过程被称为“G蛋白循环”。在数毫秒到数秒内，GPCR识别信号(如激素或药物)，重新配置自身，在细胞中招募特定的G蛋白，激活细胞信号级联反应。

新的分析技术可以识别GPCR的某个部分(例如单个氨基酸)何时与G蛋白中的目标氨基酸锁定。因此，它揭示了对GPCR功能最重要的精确氨基酸。如果应用于已知会导致疾病的GPCR，这种详细的分析可能会发现精确药物靶向的新位点。“我们可以使用相同的技术来识别GPCR上的精确区域，以实现治疗目标，”Lodowski解释道。“如果我们知道在循环中A位点在B位点之前被接触，那么我们就可以设计出更好更有效的药物。”

GPCR不容易学习。它们嵌入细胞膜中，这是一个天然的位置，有助于它们将信息从细胞外部传递到细胞内部。然而，这种位置使它们的分离、纯化和分析变得复杂。由于这些困难，GPCR及其综合体的结构很难解决，而GPCR的第一个结构在2000年才被确定。在过去的20年里，GPCR结构的广泛测定使得许多gpcr的结构测定成为可能。包括2012年第一个GPCR-G蛋白复合物结构。斯坦福大学的布莱恩科比尔卡获得诺贝尔化学奖。科比尔卡也是《新细胞》杂志的通讯记者。

“如果没有我们世界级的研究团队，包括来自斯坦福大学、韩国成均馆大学、丹麦哥本哈根大学和布鲁克海文国家实验室同步加速器生物科学案例中心的科学家、工程师和研究人员，这项工作就不可能完成。”说机会。位于布鲁克海文实验室的国家同步加速器光源II(NSLS-II)的同步加速器生物科学案例中心运行着研究人员在新研究中使用的定制足迹光束线(BM-17)。

展望未来，研究人员计划通过使用光束线进一步分析NSLS-2上GPCR及其复合物的激活。他们将他们的发现与现有的GPCR结构数据相结合，以更好地理解GPCR是如何工作的。结果可能是更好的受体阻滞剂、化疗药物，甚至是治疗视力或认知缺陷的药物。

“GPCR是各种新药的主要目标，”Lodowski说。“我们已经有了一些关于GPCR及其信号复合物是如何结合的想法，而不是分子细节的事件序列。令人兴奋的是，这种新颖的时间分辨方法使我们能够从这些结构中提取更多的意义。”