G蛋白信号转导的基本原理与研究

                                               ——一种高度灵敏的基于特异性单克隆抗体的检测方法

 

 

 

来自细胞外的信号绝大多数都是要通过分布于细胞表面的各种受体传导到细胞内部，从而引起细胞的生理反应，发挥相应的功能。

 

细胞表面最大的受体家族就是G蛋白偶联的受体（G-Protein-Coupled Receptors， GPCRs）。编码GPCR的基因有1000多个，占人类基因组总数超过2%。GPCR是一种7次跨膜蛋白。人类GPCR蛋白至少有数千种。GPCR被根据序列同源性被分为3个大家族：A，B和C。在各个家族内部成员之间在跨膜的核心区域至少具有25%的序列同源性，并且在一些关键部位的氨基酸是高度保守的。

 

G蛋白偶联受体的信号需要通过异源三聚体鸟嘌呤核苷酸结合蛋白（G-Proteins）传递到下游的效应蛋白（Effectors）。异源三聚体G蛋白有不同的Ga、Gb和Gg亚基组成。Ga 亚基较大（～35-55 kDa），并具有鸟嘌呤核苷酸结合和水解能力。在大多数情况下，当Ga 亚基结合着鸟嘌呤二磷酸核苷酸（GDP）的时候，能够结合一个 Gb 亚基（～35 kDa）和一个 Gg 亚基（～8 kDa）形成异源三聚体复合物。当Ga亚基结合鸟嘌呤三磷酸核苷酸（GTP）的时候，Ga 亚基便同Gbg 复合物分离，形成分别具有独立信号传导功能的两个复合物。但是Ga亚基具有内在的GTP水解活性，能够催化GTP水解为GDP，从而导致三聚体回到相对没有活性的GDP结合状态。多数情况下结合着GTP的Ga 亚基是活化的，能够调节下游的效应蛋白的活性；而结合GDP的Ga 亚基只有在极少数情况下可能具有活性。

 

典型的G蛋白偶联受体传递信号的基本原理是：特异性的配体结合到相应的7次跨膜的G蛋白偶联受体（GPCR）上，引起GPCR构象的变化；构象变化之后的GPCR能够结合相应的GDP结合状态的三聚体G蛋白，并诱导三聚体的Ga 亚基构象发生变化，释放结合的GDP。处于空置状态的Ga 亚基迅速与周围环境中的GTP结合。结合了GTP的Ga 亚基立即与GPCR和Gbg亚基复合物分离（如图）。自由的Ga 亚基和Gbg 亚基分别与下游的效应蛋白结合，通过调控效应蛋白的活性来实现信号的转导。Ga 亚基在同效应蛋白结合的同时或者之后，水解结合的GTP成为GDP，于是Ga 亚基在自身的调节下关闭功能，回到非活性的GDP结合状态，并与Gbg 亚基形成三聚体，等待下一次信号转导。三聚体G蛋白就是通过这样的循环来实现分子信号的“开”与“关”，从而使得信号能够得到正确有效的传导。

 

为了表彰Martin Rodbell和Alfred G. Gillman对于发现和揭示三聚体G蛋白信号转导机制的开创性工作，诺贝尔奖委员会把1994年的生理和医学奖授予这两位科学家。

         

GPCR结合催化三聚体G蛋白交换鸟嘌呤核苷酸示意图。

 

 

GPCR介导的信号转导机制的认识对于药物研发具有非常重要的意义。但是，GPCR的结构具有相当的复杂性，以至于尽管GPCR在1870年代就被发现了，但是对于其结构和工作原理的了解也只是集中于最近40多年，并且到目前对于其结构还有很多不清楚的地方。以Brian K. Kobilka和Robert J. Lefkowitz为首的科学家在GPCR的研究中做出了巨大的贡献。为了表彰他们研究成果和长期的努力，2012年诺贝尔化学奖被授予这两位科学家。

 

除了三聚体G蛋白以外，小G蛋白也是一种具有内在GTPase活性的鸟苷酸结合蛋白。他们也能结合GTP，并将GTP水解成为GDP，实现类似于三聚体G蛋白的核苷酸循环，作为分子开关调节信号通路。与三聚体核鸟苷酸结合蛋白不同的是，他们是以单体的形式存在，并且分子量较小，大多在20-25kDa之间；他们一般不是像三聚体G蛋白那样直接与受体结合介导来自受体的信号，而是在细胞内间接传递来自胞外的信号。由于最先发现的小G蛋白是Ras，因此小G蛋白家族也被称为RAS蛋白超家族。目前已经发现了154种之多的小G蛋白。这些小G蛋白被分为Ras、Rho、Rab、Arf和Ran等5个家族。小G蛋白存在于从低等的原核生物到人类之间。小G蛋白有着非常重要的生理功能。有15%的人类肿瘤都与小G蛋白的突变有关。各个家族的G蛋白细胞功能分工有所不同。Ras家族的蛋白调控基因表达；Rho家族的蛋白调控细胞骨架运动和基因表达；Rab和Arf家族蛋白调控细胞内小体的转运；Ran家族蛋白调控细胞周期中G1、S和G2期的细胞质转运以及M期的微管的形成。

 

         围绕GPCR和G蛋白的研究的核心问题之一就是：如何能够检测到GPCR或者说G蛋白是否被激活？这是所有研究G蛋白的科学家都面临的一个非常现实的问题。然而，传统的检测手段，例如同位素标记的核苷酸，荧光标记核苷酸，或者分光光度法，要么操作繁琐难度大，要么灵敏度不够，都不尽如人意。最近，NewEast Biosciences的科学家发明了一种高度灵敏的基于特异性单克隆抗体的检测方法。该方法基于能够特异性识别GTP结合状态的三聚体G蛋白或者小G蛋白的单克隆抗体，利用方便快捷的试剂盒，能够迅速检测出G蛋白是否处于激活状态。该方法除了具有简单、易操作、灵敏度高等优点以外，还有一个最为吸引人的优势：具有捕捉到被固定的细胞内的G蛋白的活化状态的可能性。而这正是很多研究G蛋白信号转导的科学家所梦寐以求的功能。目前，该类型试剂盒已经被100多篇高水平研究论文所引用。随着这些检测方法的普及，G蛋白信号转导的研究进展必将进一步加快。

 

 

参考文献

 

1. Gilman, AG (1987) G proteins: transducers of receptor-generated signals. Annu Rev Biochem 56, 615-649.

2. Lefkowitz RJ (2004) Histrorical review; A brief history and personal retrospective of seven-  

           transmembrane receptors. Trends Pharmacol Sci 25, 413-422.

3. Lefkowitz RJ (2007) Seven-transmembrane receptors: something old, something new. Acta 

           Physiol 190, 9-19.

4. Shoichet BK, Kobilka BK (2012) Structure-based drug screening for G-protein-coupled 

           receptors. Trends Pharmacol Sci 33(5), 268-272.

5. Ye S, Zaitseva E, Caltabiano G, Schertler GF, Sakmar TP, Deupi X, Vogel R (2010) Tracking 

           G-protein-coupled receptor activation using genetically encoded infrared probes. Nature 

          464, 1386-1389.