Structural basis of stepwise G protein activation by the viral chemokine receptor US28
通过利用冷冻电子显微技术和一种工程化超激动剂来解析病毒趋化因子受体 US28-Gq 复合物的三种不同结构状态，本研究阐明了一种用于 G 蛋白激活的逐步且保守的机制，该机制弥合了 G 蛋白识别与 GDP 释放之间的间隙。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
在每一个细胞内部，一个庞大的分子开关网络控制着身体如何应对外界。这些开关被称为G蛋白偶联受体，简称GPCR。它们位于细胞表面，像天线一样接收信号，例如激素、光线或气味。当信号到达时，受体会改变形状并触发细胞内一个伴侣蛋白的开关，从而引发一系列连锁反应，告诉细胞该做什么。由于这些受体管理着从心率到视觉的一切事务，它们成为了约三分之一现代药物的作用靶点。几十年来，科学家们一直知道这些受体在静息状态下以及完全激活状态下的样子。然而，真正的转换瞬间——即受体抓住伴侣蛋白并迫使其释放其内部燃料的那一刹那——却一直是一个谜。由于看不清这个过程，信号传递的具体机制一直处于隐藏状态。
一组研究人员现在捕捉到了一系列高分辨率的快照，揭示了这一缺失的步骤。通过研究一种存在于病毒中的独特受体，他们成功地将分子机器冻结在从静息态向激活态移动的三个不同位置。这项工作首次清晰地展示了允许细胞接收信息并作出反应的逐步过程。研究结果表明，这些蛋白质的工作方式并非突然的跳跃，而是一个精确的、机械性的运动序列，这种序列很可能在许多不同类型的人类受体中都是通用的。
研究人员将重点放在了一种名为US28的受体上，这种受体由一种被称为人类巨细胞病毒的病毒产生。虽然这种病毒利用该受体来劫持人类细胞，但该受体本身与我们体内发现的受体非常相似。科学家们设计了一种特定版本的信号分子——趋化因子，它能与这种病毒受体紧密结合。他们将这种物质与受体及其伴侣蛋白（一种G蛋白）混合在模拟细胞膜环境的溶液中。利用一种被称为冷冻电子显微镜的高级成像技术（该技术允许科学家在近原子水平观察单个分子），他们对这一复合物进行了检查。由于混合物中包含处于不同活性阶段的蛋白质，研究人员可以从数百万张图像中进行筛选，找到代表激活过程不同时刻的独特组别。
他们识别出了三个关键状态。第一个，他们称之为“遭遇态”，显示了受体与G蛋白刚刚相遇。在此阶段，G蛋白仍抓着一个GDP分子，这是一种维持其非活性状态的化学能量形式。受体已经抓住了G蛋白，但内部机制尚未被强行打开。第二个状态是“过渡阶段”。在这里，G蛋白被拉入了受体更深的掌控之中，蛋白质的一个特定部分开始伸直，但GDP仍被困在其中。第三个状态是“典型状态”，此时G蛋白已完全参与其中，GDP已被弹出，蛋白质准备好结合一个新的GTP分子以执行其任务。
最重大的发现在于受体是如何迫使G蛋白释放其GDP的细节。研究人员发现，这一过程是由G蛋白末端的一个螺旋结构驱动的，它起到了杠杆的作用。当受体拉动这个杠杆时，它会触发一系列内部位移。首先，蛋白质两个部分之间的一个关键连接（充当安全锁的角色）被打破。这种断裂引发了连锁反应，使对GDP分子的抓取变得松动。最后，蛋白质的另一个部分会摆动开，物理性地将GDP挤出其口袋。这一系列事件——从最初的拉动到最终的弹出——遵循着研究人员能够详细绘制出的特定顺序。
为了确保这些观察结果并非仅仅是成像过程中的人工伪影，团队运行了模拟这些蛋白质随时间运动的计算机模拟实验。这些模拟证实了他们观察到的中间状态是稳定的，并且可以自然地转化为完全激活的形式。他们还通过对受体结构进行微小改动来测试他们的发现。当他们改变参与早期阶段过程的特定受体部分时，信号传递停止了；当他们改变参与后期阶段的部分时，信号在不同的点被中断。这些实验证实，他们捕捉到的这三种状态代表了一个真实的、功能性的蛋白质通过路径。
该研究还强调了一种可能同样适用于人类受体的保守机制。在病毒受体中被打破的特定化学锁在许多人类G蛋白中也被发现，这表明这种逐步激活的方法是生物学的一条基本规则。尽管研究人员指出，他们的工作是在受控的实验室环境下进行的，且在活细胞中这些事件的确切发生时间可能会有所不同，但结构证据为理解这些分子机器如何运作提供了一个坚实的框架。通过揭示信号与反应之间隐藏的步骤，这项研究为理解支配细胞层面生命的分子逻辑提供了更清晰的图景。
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