一個國際研究團隊在能源部的SLAC國家加速器實驗室使用X射線激光器創(chuàng)建了兩個褪黑素受體的第一個詳細地圖，這些受體告訴我們的身體什么時候入睡或醒來并指導其他生物過程。更好地了解它們的工作原理可以使研究人員設計出更好的藥物來對抗睡眠障礙，癌癥和2型糖尿病。他們的研究結果在兩篇論文今天發(fā)表在自然。

由南加州大學領導的研究小組使用來自SLAC的Linac相干光源(LCLS)的X射線來繪制受體，MT1和MT2，它們與四種不同的化合物結合，這些化合物激活受體：一種失眠藥物，一種藥物，將褪黑激素與抗抑郁藥血清素和兩種褪黑激素類似物混合。

他們發(fā)現兩種褪黑激素受體都含有嵌入我們體內細胞脂肪膜的狹窄通道。這些通道只允許褪黑激素 - 可以存在于水和脂肪中 - 通過，阻斷血清素，血清素具有相似的結構，但只在水環(huán)境中幸福。盡管兩種受體之間存在結構相似性，但他們還發(fā)現了一些更大的化合物如何僅靶向MT1而不是MT2。這應該告知設計選擇性靶向MT1的藥物，這是迄今為止具有挑戰(zhàn)性的。

這些受體在人體中發(fā)揮著極其重要的作用，并且是制藥工業(yè)高度關注的主要藥物靶標。通過這項工作，我們能夠非常詳細地了解褪黑激素如何與這些受體結合。“

Linda Johansson，USC的博士后學者，負責MT2的結構工作

該睡了

人們這樣做，鳥類做，魚做。幾乎動物王國中的所有生物都在睡覺，這是有充分理由的。

對于大腦來說，休息，處理和存儲我們在白天積累的記憶至關重要。褪黑激素是調節(jié)我們睡眠 - 覺醒周期的激素。當有光時，褪黑激素的產生受到抑制，但當黑暗來臨時，這是我們大腦進入睡眠狀態(tài)的信號。“

共同作者，SLAC的科學家Alex Batyuk

褪黑激素受體屬于稱為G蛋白偶聯受體(GPCR)的一組膜受體，其調節(jié)人體中幾乎所有的生理和感覺過程。MT1和MT2存在于全身許多地方，包括大腦，視網膜，心血管系統(tǒng)，肝臟，腎臟，脾臟和腸道。

這些受體監(jiān)督我們的時鐘基因，身體內部時鐘的計時器或晝夜節(jié)律。在完美的世界中，我們的內部時鐘將與太陽的升起和設置同步。但是當人們跨越時區(qū)旅行，過夜工作或在屏幕或其他人工藍光源前花費太多時間時，這些計時員會被拋棄。

控制節(jié)奏

當我們的晝夜節(jié)律被破壞時，它可能導致許多下游癥狀，增加患癌癥，2型糖尿病和情緒障礙的風險。MT1尤其在控制這些節(jié)律中起重要作用，但設計能夠選擇性靶向該受體的藥物已證明是困難的。許多人服用非處方褪黑素補充劑來對抗睡眠問題或改變他們的晝夜節(jié)律，但這些藥物的效果常常會在數小時內消失。

通過破解這些受體的藍圖并繪制配體如何結合并激活它們，研究人員為其他人設計了更安全，更有效且能夠選擇性靶向每種受體的藥物。

收獲水晶

“自從60年前發(fā)現褪黑激素以來，已經有許多具有里程碑意義的發(fā)現導致了這一時刻，”紐約州立大學布法羅分校藥理學和毒理學杰出教授Margarita L. Dubocovich說，他開創(chuàng)了功能性褪黑激素受體的鑒定方法。在80年代早期，并為這項研究提供了一個外部視角。“盡管取得了顯著進展，我的團隊和世界各地的研究人員仍然難以發(fā)現選擇性MT1藥物。闡明MT1和MT2受體的晶體結構開辟了令人興奮的新章節(jié)，用于開發(fā)治療睡眠或晝夜節(jié)律紊亂的藥物，這些疾病已知導致精神病，新陳代謝，腫瘤和許多其他疾病。

為了映射像蛋白質這樣的生物分子，研究人員經常使用一種稱為X射線晶體學的方法，從這些蛋白質的結晶形式散射X射線，并使用這種模式來獲得三維結構。到目前為止，繪制MT1，MT2和類似受體的挑戰(zhàn)是生長足夠大的晶體以獲得高分辨率結構的難度。

有了這些褪黑激素受體，我們真的不得不加倍努力。許多人試圖在沒有成功的情況下結晶它們，所以我們必須有點創(chuàng)造性。“

南加州大學的科學家Benjamin Stauch領導了MT1的結構工作

這項研究的一個關鍵部分是研究人員用來生長晶體并從中收集X射線衍射數據的獨特方法。對于這項研究，該團隊在昆蟲細胞中表達了這些受體，并使用洗滌劑將其提取出來。他們突變這些受體以穩(wěn)定它們，從而實現結晶。在純化受體后，它們將它們置于膜狀凝膠中，其直接從膜環(huán)境支持晶體生長。在獲得懸浮在該凝膠中的微晶之后，他們使用特殊的注射器來產生窄的晶體流，它們用來自LCLS的X射線切割。

由于晶體尺寸很小，這項工作只能在LCLS上完成。這種小晶體在同步加速器源處不能很好地衍射，因為它們很快受到輻射損害。X射線激光器可以通過“衍射前破壞”原理克服輻射損傷問題。“

Vadim Cherezov，USC教授，負責監(jiān)督這兩項研究

研究人員收集了數十萬張散射X射線圖像，以確定這些受體的三維結構。他們還測試了數十種突變的影響，以加深他們對受體如何工作的理解。

除了在受體中發(fā)現微小的門控褪黑激素通道外，研究人員還能夠將2型糖尿病相關突變定位到MT2受體上，這是第一次看到這些突變在受體中的確切位置。

奠定基礎

在這些實驗中，研究人員只研究了激活受體的化合物，稱為激動劑。為了跟進，他們希望能夠映射與拮抗劑結合的受體，這些受體阻斷受體。他們還希望利用他們的技術來研究體內其他GPCR受體。

“作為一名結構生物學家，第一次看到這些受體的結構并分析它們以了解這些受體如何選擇性地識別它們的信號分子是令人興奮的，”Cherezov說。“我們已經了解它們幾十年，但直到現在還沒有人能說出它們的實際外觀?，F在我們可以對它們進行分析，以了解它們如何識別特定分子，我們希望這些分子為更好，更有效的藥物奠定基礎。“