新的研究探索了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。造成这些痛苦的主要原因是高血压。
虽然有针对这种影响着数千万美国人的疾病的治疗方法，但这些疗法并非没有副作用，而且这种疾病的某些变体是抗药性的。因此，迫切需要更有效的治疗方法来解决高血压相关疾病。图示显示了受体pGC-A的一部分，称为细胞外结构域，它从心血管系统的细胞表面突出。小分子与受体结合并施加微妙的控制血压．这项新研究首次提供了全长受体的先睹之快，这是开发治疗高血压和其他疾病的新药的关键一步。
然而，为了实现这一目标，生物学家需要更详细的心血管调节机制图谱。其中一种调节器是位于心血管细胞顶端的蛋白质受体，当特定的激素分子与它们结合时，它充当传递信息的管道。
这种膜受体被称为pGC-A，它的作用有点像恒温器，敏感地调节身体的血压，以维持对健康至关重要的稳态平衡。该受体不仅作为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，并与癌症的发展有关。
在最新一期杂志上发表的一项新研究中科学报告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及其同事，与罗切斯特梅奥诊所合作，在揭示pGC-A结构方面取得了关键进展。
该研究提供了第一次纯化，表征和初步的结构分析全长蛋白受体．研究的进展包括使蛋白质结晶，并显示这些晶体衍射x射线——这是解决结构问题必不可少的两个关键步骤。
对这种复杂受体及其信号机制的更清晰理解，为一系列新的抗高血压药物的研发铺平了道路，这些药物可以帮助延缓心脏病发作和中风，并促进这些事件的恢复。
“这一成就是首次描述了一种新型膜蛋白受体的x射线衍射，代表了我们的研究生张尚吉的非凡努力，”合著者、生物设计研究员黛比·汉森说。“独特种类的膜蛋白的结构通常需要多年的努力，并建立在类似的关键进展之上。”
来自罗切斯特市梅奥诊所心血管医学系的合著者John C. Burnett Jr.一直致力于开发候选分子新型抗高血压药物基于pGC-A受体的结构。
惊心动魄的威胁
根据世界卫生组织在美国，全球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长，导致最近的建议国家心肺血液研究所高血压工作组报告“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。”
难治性高血压更可能发生在肥胖、糖尿病或肾功能不全的患者身上，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。当血管变得钙化和无弹性，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，治疗高血压将中风风险降低35-40%，心力衰竭风险降低50%。
心血管疾病包括风湿病和先天性心脏病;冠状动脉、脑和周围动脉疾病;深静脉血栓形成;还有肺栓塞。冠状动脉疾病是主要的杀手，当流向心肌细胞的血液减少或受阻时就会发生，从而导致心力衰竭。仅在美国，到2030年，这种情况预计将增加到700亿美元。
新的见解开始形成
的pGC-A膜受体主要有三种形式。这类受体非常重要，它们构成了大多数药物靶标。对于大多数生物来说，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，基因组的20-30%都用于膜蛋白的表达。这种受体从外细胞膜伸出，深入细胞内部，通常充当修改细胞行为的外部信号的管道。
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，通常具有原子尺度的分辨率。利用这些信息，药物设计者可以设计出一种药物，以选择性和精确的方式与细胞受体结合，以产生给定的结果。
在pGC-A的情况下，结合分子是由心血管系统细胞产生的肽激素。它们被称为利钠肽激素，以自然变异的形式出现，也可以利用基因突变进行合成设计。受体的部分活性包括将GTP转化为cGMP, cGMP是重要器官正常功能所必需的分子。
伯内特说:“心脏不仅是一个泵，还是一个内分泌腺，它能产生一种非常有益的激素，叫做心房钠肽(ANP)。”“这种激素在血压、肾脏和所有代谢平衡方面发挥着重要作用。”
更深入的研究
迄今为止，只有pGC-A受体的细胞外成分被鉴定。目前的工作是向描述全长结构，特别是跨膜结构域和功能性细胞内结构域迈出的重要一步，目前对这些结构域知之甚少。
为了达到这一目的，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生长，成本更低。杆状病毒载体允许研究人员将昆虫病毒转化为传递蛋白质遗传配方的载体。
这一过程包括将一种用于制造受体的基因插入一种被称为bacmid的特殊类型的DNA载体或载体中。携带受体基因的重组杆状病毒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，pGC-A受体蛋白可以被提取、纯化并经受x射线晶体学，以确定其结构。这个过程很棘手，劳动密集型，而且由于各种原因容易失败。在众多现有的膜蛋白中，只有一小部分被完全表征，使得pGC-A的初步表征成为一项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几个优势，特别是在膜蛋白如pGC-A的情况下。该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，而不是在大肠杆菌(E. coli)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。膜蛋白的提纯是不平凡的，她还能得到结晶的蛋白质以及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。
这项研究为其他膜蛋白的详细表征打开了大门，这些膜蛋白最终可能会被用于控制高血压和其他广泛疾病的有效药物。
伯内特说:“一个主要目标是开发基于ANP及其靶受体的突破性药物，以治疗高血压、心力衰竭和肥胖。”“由亚利桑那州立大学和梅奥团队所做的工作，并在《科学报告》中报道，有助于解开受体靶标的秘密，并将加速新药的开发，真正帮助全球患者。”
应用结构发现中心主任佩特拉·弗洛姆(Petra Fromme)是这项研究的资深作者，也是张晓明的博士生导师，她对这项工作的巨大影响感到兴奋。
“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，减轻症状，而没有严重的副作用，”她说。
进一步探索
