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，但这些治疗方法并非没有副作用，而且这种疾病的一些变体是耐治疗的。因此，迫切需要更有效的治疗方法来治疗高血压相关疾病。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．这项新研究首次让人们对这种全长受体有了初步的了解，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。其中一种调节因子是位于心血管细胞顶部的蛋白质受体，当特定激素分子与之结合时，它充当传递信息的通道。
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，以维持健康所必需的体内平衡。该受体不仅是血管和心脏内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在美国，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的梅奥诊所合作，在揭示pGC-A结构方面取得了关键进展。
该研究首次提供了全长的纯化、表征和初步结构分析蛋白受体．该研究的进展包括使蛋白质结晶并证明这些晶体能衍射x射线——这是解决该结构的两个关键步骤。
对这种复杂的受体及其信号机制的更清晰的理解，为开发一套新的抗高血压药物铺平了道路，这可能有助于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x射线衍射用于一类新的膜蛋白受体，代表了我们的研究生张尚记的非凡努力，”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上。”
合著者John C. Burnett Jr.来自罗切斯特梅奥诊所心血管医学系，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，全世界超过三分之一的死亡可能是由心血管疾病造成的。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，这导致了最近的一项建议国家心脏，肺和血液研究所高血压工作组报告“开发针对不同高血压患者群体的新药和治疗方法，如顽固性高血压患者。”
难治性高血压占高血压患者的12-15%，更容易发生在肥胖、糖尿病或肾功能障碍患者中。这类个体对现有疗法反应有限或较差。当血管变得钙化和无弹性，失去完全收缩和放松的能力时，这种情况就会发生。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、脑和外周动脉疾病;深静脉血栓形成;还有肺栓塞。冠状动脉疾病是头号杀手，当流向心肌细胞的血液减少或阻塞时就会发生，这可能导致心力衰竭。仅在美国，预计到2030年，这一状况将增加到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点。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。这种受体从细胞膜外突出并深入细胞内部，通常充当改变细胞行为的外部信号的导管。
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，通常具有原子级分辨率。利用这些信息，药物设计者可以设计出一种药物，这种药物将以选择性和精确的方式与细胞受体结合，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的细胞产生的肽激素。它们被称为利钠肽激素，存在自然变异，也可以通过基因突变进行合成设计。该受体的部分活性涉及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，也是一个内分泌腺，它产生一种叫做心房利钠肽(ANP)的非常有益的激素。”“这种激素在血压、肾脏和所有代谢平衡中发挥着重要作用。”
更深入的研究
到目前为止，只有pGC-A受体的细胞外成分被鉴定出来。目前的工作是向表征全长结构，特别是跨膜结构域和功能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。这一过程包括将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，成本也更低。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bacmid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，并通过x射线晶体学来确定其结构。这个过程是棘手的，劳动密集型的，并且容易因为各种原因而失败。现有的许多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一些优势，特别是像pGC-A这样的膜蛋白。与传统表达大肠杆菌(E. coli)中常见的错误折叠和无功能蛋白的细菌表达相比，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。
地平线
“这是一个巨大的成就，”汉森说。膜蛋白是不易提纯的，她还能得到结晶的蛋白质和x射线衍射。”
进一步纯化和更好的衍射数据将最终实现原子级结构表征。
这项研究打开了对其他膜蛋白的详细描述的大门，最终可能找到控制高血压和其他广泛疾病的有效药物的方法。
伯内特说:“我们的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。”“亚利桑那州立大学和梅奥研究小组所做的工作，并发表在《科学报告》上，有助于解开受体靶点的秘密，将加速新药的开发，并真正帮助全世界的患者。”
应用结构发现中心主任佩特拉·弗罗姆(Petra Fromme)是这项研究的资深作者，也是张磊的博士生导师，她对这项工作的高影响感到兴奋。
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去数百万人的生命，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
