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Generic GPCR residue numbering
albumns 2015-2-1 23:14
Trends in pharmacological science, Volume 36, Issue 1, p22–31, January 2015 Abstract Generic residue numbers facilitate comparisons of, for example, mutational effects, ligand interactions, and structural motifs. The numbering scheme by Ballesteros and Weinstein for residues within the class A GPCRs (G protein-coupled receptors) has more than 1100 citations, and the recent crystal structures for classes B, C, and F now call for a community consensus in residue number- ing within and across these classes. Furthermore, the structural era has uncovered helix bulges and constric- tions that offset the generic residue numbers. The use of generic residue numbers depends on convenient access by pharmacologists, chemists, and structural biologists. We review the generic residue numbering schemes for each GPCR class, as well as a complementary structure- based scheme, and provide illustrative examples and GPCR database (GPCRDB) web tools to number any receptor sequence or structure. Alignment of the class-specific generic residue numbers based on structural alignment of crystal structures of representative receptors from class A (bovine rhodopsin, bRho), B (glucagon receptor), C (metabotropic glutamate receptor 1, mGlu1), and F (Smoothene, SMO). Class-specific reference residue positions (X.50) for each of the seven TM helices are given in bold font. Full text
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ABBS: G protein-coupled receptors: bridging the gap from the
chshou 2015-1-6 08:52
G protein-coupled receptors: bridging the gap from the extracellular signals to the Hippo pathway Xin Zhou, Zhen Wang, Wei Huang and Qun-Ying Lei Acta Biochim Biophys Sin 2015, 47: 10–15; doi: 10.1093/abbs/gmu108 Key Laboratory of Metabolism and Molecular Medicine, Ministry of Education, and Department of Biochemistry and Molecular Biology, Fudan University Shanghai Medical College, Shanghai 200032, China The Hippo pathway is crucial in organ size control, whereas its dysregulation contributes to organ degeneration or tumorigenesis. The kinase cascade of MST1/2 and LATS1/2 and the coupling transcription co-activators YAP/TAZ represent the core components of the Hippo pathway. Extensive studies have identified a number of upstream regulators of the Hippo pathway, including contact inhibition, mechanic stress, extracellular matrix stiffness, cytoskeletal rearrangement, and some molecules of cell polarity and cell junction. However, how the diffuse extracellular signals regulate the Hippo pathway puzzles the researchers for a long time. Unexpectedly, recent elegant studies demonstrated that stimulation of some G protein-coupled receptors (GPCRs), such as lysophosphatidic acid receptor, sphingosine-1-phosphate receptor, and the protease activated receptor PAR1, causes potent YAP/TAZ dephosphorylation and activation by promoting actin cytoskeleton assemble. In this review, we briefly describe the components of the Hippo pathway and focus on the recent progress with respect to the regulation of the Hippo pathway by GPCRs and G proteins in cancer cells. In addition, we also discuss the potential therapeutic roles targeting the Hippo pathway in human cancers. 图例: GPCR对Hippo-YAP/TAZ通路的调节作用 全文: http://abbs.oxfordjournals.org/content/47/1/10.full Go to ABBS Volume 47, Number 1, 2015 : a special issue on Hippo signaling
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Activation of GPCR correlates continuous water pathway
albumns 2014-9-9 22:01
Activation of G-protein-coupled receptors correlates with the formation of a continuous internal water pathway. Shuguang Yuan, Slawomir Filipek, Krzysztof Palczewski, Horst Vogel Nature Communication doi:10.1038/ncomms5733 full text news story A schematic view of three different rotamer conformations of the highly conserved Y7.53 residue. (a) The YII conformation is preferred in activated GPCRs; during formation it is accessed by extracellular water molecules forming a continuous internal water network. (b) For receptors similar to Rho and S1PR1 the YII state is associated with the cytoplasmic influx of water. GPCRs are shown in grey and the G-protein subunits are displayed in different colours. (c) The YI conformation is preferred in inactive GPCRs with two hydrophobic layers blocking a continuous water pathway. (d) The YIII conformation is preferred in GPCR meta states with one hydrophobic layer located next to the NPxxY motif and blocking formation of a continuous water pathway. Abstract Recent crystal structures of G-protein-coupled receptors (GPCRs) have revealed ordered internal water molecules, raising questions about the functional role of those waters for receptor activation that could not be answered by the static structures. Here, we used molecular dynamics simulations to monitor—at atomic and high temporal resolution—conformational changes of central importance for the activation of three prototypical GPCRs with known crystal structures: the adenosine A 2A receptor , the β 2 -adrenergic receptor and rhodopsin . Our simulations reveal that a hydrophobic layer of amino acid residues next to the characteristic NPxxY motif forms a gate that opens to form a continuous water channel only upon receptor activation. The highly conserved tyrosine residue Y 7.53 undergoes transitions between three distinct conformations representative of inactive, G-protein activated and GPCR metastates. Additional analysis of the available GPCR crystal structures reveals general principles governing the functional roles of internal waters in GPCRs.
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crystal structure of CCR5 released on SCIENCE
albumns 2013-9-13 18:04
Published Online September 12 2013 Science Express Science DOI: 10.1126/science.1241475 Report Structure of the CCR5 Chemokine Receptor–HIV Entry Inhibitor Maraviroc Complex full text Abstract The CCR5 chemokine receptor acts as a co-receptor for HIV-1 viral entry. Here, we report the 2.7 Å resolution crystal structure of human CCR5 bound to the marketed HIV drug Maraviroc. The structure reveals a ligand binding site that is distinct from the proposed major recognition sites for chemokines and the viral glycoprotein gp120, providing insights into the mechanism of allosteric inhibition of chemokine signaling and viral entry. A comparison between CCR5 and CXCR4 crystal structures, along with models of co-receptor/gp120-V3 complexes, suggests that different charge distributions and steric hindrances caused by residue substitutions may be major determinants of HIV-1 co-receptor selectivity. These high-resolution insights into CCR5 can enable structure-based drug discovery for the treatment of HIV-1 infection.
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Two arrestin structures published on Nature
albumns 2013-8-4 11:28
​ 1. Crystal structure of pre-activated arrestin p44 Yong Ju Kim,Klaus Peter Hofmann,Oliver P. Ernst,Patrick Scheerer,Hui-Woog Choe Martha E. Somme nature 497,142–146 (02 May 2013)mdoi:10.1038/nature12133 Abstract Arrestins interact with G-protein-coupled receptors (GPCRs) to block interaction with G proteins 1 , 2 and initiate G-protein-independent signalling 3 . Arrestins have a bi-lobed structure that is stabilized by a long carboxy-terminal tail (C-tail), and displacement of the C-tail by receptor-attached phosphates activates arrestins for binding active GPCRs 4 . Structures of the inactive state of arrestin are available 5 , 6 , but it is not known how C-tail displacement activates arrestin for receptor coupling. Here we present a 3.0   Å crystal structure of the bovine arrestin-1 splice variant p44, in which the activation step is mimicked by C-tail truncation. The structure of this pre-activated arrestin is profoundly different from the basal state and gives insight into the activation mechanism. p44 displays breakage of the central polar core and other interlobe hydrogen-bond networks, leading to a ~21° rotation of the two lobes as compared to basal arrestin-1. Rearrangements in key receptor binding loops in the central crest region include the finger loop 7 , 8 , 9 , loop 139 (refs 8 , 10 , 11 ) and the sequence Asp   296 Asn   305 (or gate loop), here identified as controlling the polar core. We verified the role of these conformational alterations in arrestin activation and receptor binding by site-directed fluorescence spectroscopy. The data indicate a mechanism for arrestin activation in which C-tail displacement releases critical central-crest loops from restricted to extended receptor-interacting conformations. In parallel, increased flexibility between the two lobes facilitates a proper fitting of arrestin to the active receptor surface. Our results provide a snapshot of an arrestin ready to bind the active receptor, and give an insight into the role of naturally occurring truncated arrestins in the visual system. full text 2. Structure of active β-arrestin-1 bound to a G-protein-coupled receptor phosphopeptide Arun K. Shukla,Aashish Manglik,Andrew C. Kruse,Kunhong Xiao,Rosana I. Reis,Wei-Chou Tseng,Dean P. Staus,Daniel Hilger,Serdar Uysal,Li-Yin Huang,Marcin Paduch,Prachi Tripathi-Shukla,Akiko Koide,Shohei Koide,William I. Weis,Anthony A. Kossiakoff,Brian K. Kobilka Robert J. Lefkowitz Nature497,137–141(02 May 2013)doi:10.1038/nature12120 Abstract he functions of G-protein-coupled receptors (GPCRs) are primarily mediated and modulated by three families of proteins: the heterotrimeric G proteins, the G-protein-coupled receptor kinases (GRKs) and the arrestins 1 . G proteins mediate activation of second-messenger-generating enzymes and other effectors, GRKs phosphorylate activated receptors 2 , and arrestins subsequently bind phosphorylated receptors and cause receptor desensitization 3 . Arrestins activated by interaction with phosphorylated receptors can also mediate G-protein-independent signalling by serving as adaptors to link receptors to numerous signalling pathways 4 . Despite their central role in regulation and signalling of GPCRs, a structural understanding of β-arrestin activation and interaction with GPCRs is still lacking. Here we report the crystal structure of β-arrestin-1 (also called arrestin-2) in complex with a fully phosphorylated 29-amino-acid carboxy-terminal peptide derived from the human V2 vasopressin receptor (V2Rpp). This peptide has previously been shown to functionally and conformationally activate β-arrestin-1 (ref. 5 ). To capture this active conformation, we used a conformationally selective synthetic antibody fragment (Fab30) that recognizes the phosphopeptide-activated state of β-arrestin-1. The structure of the β-arrestin-1–V2Rpp–Fab30 complex shows marked conformational differences in β-arrestin-1 compared to its inactive conformation. These include rotation of the amino- and carboxy-terminal domains relative to each other, and a major reorientation of the ‘lariat loop’ implicated in maintaining the inactive state of β-arrestin-1. These results reveal, at high resolution, a receptor-interacting interface on β-arrestin, and they indicate a potentially general molecular mechanism for activation of these multifunctional signalling and regulatory proteins. full text
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First structure of Class B GPCR released
albumns 2013-7-21 21:12
Structure of the human glucagon class B G-protein-coupled receptor Fai Yiu Siu,Min He,Chris de Graaf, et.al. Nature (2013) doi:10.1038/nature12393 Abstract : Binding of the glucagon peptide to the glucagon receptor (GCGR) triggers the release of glucose from the liver during fasting; thus GCGR plays an important role in glucose homeostasis. Here we report the crystal structure of the seven transmembrane helical domain of human GCGR at 3.4   Å resolution, complemented by extensive site-specific mutagenesis, and a hybrid model of glucagon bound to GCGR to understand the molecular recognition of the receptor for its native ligand. Beyond the shared seven transmembrane fold, the GCGR transmembrane domain deviates from class A G-protein-coupled receptors with a large ligand-binding pocket and the first transmembrane helix having a ‘stalk’ region that extends three alpha-helical turns above the plane of the membrane. The stalk positions the extracellular domain (~12   kilodaltons) relative to the membrane to form the glucagon-binding site that captures the peptide and facilitates the insertion of glucagon’s amino terminus into the seven transmembrane domain. PDB: 4L6R full text: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature12393.html
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舌尖上的接收器
热度 13 Lewind 2013-7-9 14:12
(本文已发表于《瞭望东方周刊》) 机器人的接收器   读本科的时候,我曾经报名参加了一个机器人制作团队,代表中国参加在日本举办的世界机器人大赛。那一届的比赛题目是射门机器人,要求能在赛场上拾起己方半场内的球,退回到射门区之后再把球射向对方的球门。   要让机器人走起来,首先要让它知道自己在场地上的位置。大家提了很多方案,比如装上摄像头,用图像处理程序来识别球门,或者使用激光测距仪等等。但不是实现起来太复杂,就是造价太高。最后,我提了个方案:在机器人底部的四角各安装一个红外线发射接收装置,利用与鼠标类似的原理来检测自己在场地上的移动速率。这四块电路板虽小,却是我们的机器人身上唯一的接收器,是它感知外面世界的通道。   本科毕业之后,我离开了自动化专业,转身跨进了生命科学的大门。其实这两件事情并没有一般人所认为的那么遥远——生命本身就是宇宙中最复杂、最奇妙的自动化系统,哪怕只是一个细胞,其复杂程度都远远超过人类所能研制出来的最精密的机器。而且,无论是人类创造出来的自动机器,还是大自然进化出来的生物机器,它们都需要感知外面的世界。就像我们当年的比赛机器人不能在射门区之外射门一样,生物体也要针对不同的外界环境做出正确的选择才行。 味道的化学   在我们所面对的外界环境之中,食物绝对是既重要又复杂的一件事情:苦的东西不能吃,可能有毒;甜的东西要多吃,能量很高;酸的东西要小心,可能已经变质了。而了解这些味道,是我们人类与生俱来的本能。养过孩子的人都知道,六个月大的婴儿吃到甜的食物就会高兴得手舞足蹈;吃到略微发苦发涩的食物就会直接吐出来;而吃到酸的食物则会皱起眉头。当然,我们只不过是从动物祖先那里继承了这种本能而已。利用这种本能,动物可以保护自己在没有冰箱、没有保质期的大自然中不至于吃坏肚子。   不难想象,味道不过是代表着不同的化学物质罢了。糖是甜的,盐是咸的,醋是酸的,药是苦的,这是任何人都知道的基本常识。问题在于:我们的身体又是如何把这些化学物质转化为大脑接收到的神经信号的呢?   或许有人会回答:靠舌头呗!还有人可能会给出更精细的答案:靠的是味蕾。再深入探究的话,应该说是味蕾中的味觉细胞。味觉的神经电信号最初就是由这些味觉细胞产生的。那味觉细胞又是靠什么来感受不同味道之中的化学物质呢?笼统说来,这种位于舌尖上的接收器就是:蛋白质。   大家都知道,蛋白质写在各种食品包装上的营养列表里,是我们每天都要摄入的营养物质。但很少有人知道,其实我们的身体主要就是由蛋白质组成的。虽然基因这东西被吹得神乎其神,但真正让我们能吃、能跑、能说话、能睡觉的并不是基因,而是充斥在细胞各处的蛋白质。基因所记载的,只是这些蛋白质的生产手册。 通道与受体   感受味道的蛋白质,具体来说属于一种叫做膜蛋白的蛋白质。它们位于细胞的表面,分成两大类:一类能够接受特定的外界分子并与之结合,称为受体;另一类是空心的,等于在细胞表面上开了一个孔洞,方便物质出入细胞,称为通道。   通道蛋白对于人体来说是非常重要的。如果没有它们,细胞就无法与外界有效地交换物质,养分进不来,废物也出不去;更要命的是,有些重要的生物学功能就无法实现了。比如说钠离子通道,能够让带正电的钠离子进入神经细胞,改变细胞内外的电压差,进而引发神经冲动。这正是我们需要吃盐的原因之一,盐里面的氯化钠能够补充神经系统所需的钠离子。过度缺乏钠离子就会导致休克,所以我们在大运动量之后才既要补水也要补盐。咸味的感知所利用的也正是钠离子通道。当我们吃了咸的东西,钠离子会从通道大量涌入感知咸味的味觉细胞内,从而引发神经信号。   我们在中学化学中都学过,酸性物质溶于水中就会产生大量的氢离子。氢离子越多,溶液也就越酸。舌头上的味觉细胞也利用了这一原理。感受酸味的细胞表面带有对氢离子敏感的通道,大量的氢离子会导致这种通道关闭。这一信号进一步转化成神经信号之后,我们就尝到了酸味。   除了咸味和酸味之外的其它味道,主要都是依靠味觉细胞表面的受体来实现的。这些受体就像是机器人的接收器一样,只不过它们接收的不是电磁波,而是化学小分子。俗话说:一把钥匙开一把锁。受体蛋白也是如此,依据自身形状的不同,所能结合的小分子也不相同。一旦受体识别到与自己匹配的小分子,两者的结合会导致受体发生形变,进而引发细胞内的一系列生物化学反应,最终放出神经信号。   那么,既然我们能够尝出成百上千种不同的味道,是不是也有成百上千种不同的味觉受体蛋白呢?其实不然。我们舌尖上的接收器往往都是多功能的,同一种受体蛋白能够识别比较类似的多种化学物质。这让我们的味觉变得不那么“精确”。比如说苦味吧,能够引起苦味的化学物质很多,但并不全都有毒。否则我们就不会饮苦茶、吃苦瓜了,更不会有“良药苦口”这样的名言警句了。再比如说甜味,葡萄糖、果糖、蔗糖等等各不相同的分子,都能引起甜味的感觉。人们正是利用这一点发明了甜味剂——能够被受体识别,产生甜味的感觉,但不能被人体吸收利用,不会导致发胖。 英文标注原图版权归洛克菲勒大学出版社所有 要鲜不要辣   其实,我们人类只能够尝出五种不同的基本味道。而且这五种味道并不是我们中国人常说的“酸、甜、苦、辣、咸”,而是“酸、甜、苦、咸、鲜”。   为什么辣不是一种味道呢?因为它跟味觉完全没有关系。我们中国人会说“火辣辣的”。而英语的说法更直接,人们一般都用“热”(hot)而不是“辣”(spicy)来形容辣的东西。这不是大脑的幻觉,而是切切实实的感受。   实际上,辣是由一种叫做辣椒素的化学物质引发的。舌头上的辣椒素受体的正常功能当然不是用来探测辣椒素,而是负责感受温度和痛觉。所以,当你辣得汗流浃背的时候,只不过是因为我们的身体误以为自己碰上了极热的天气而已。另外,这种辣椒素受体遍布我们能够感受痛觉的全身各处。于是,“被辣到”绝对不是只有舌头才能享受的特殊待遇。同样的道理,四川人和重庆人酷爱的“麻”也不是一种味道。它实际上是对局部神经的暂时性麻痹所造成的感受。更糟糕的是,有严格的科学研究表明,过度吃辣会杀死你舌头上真正的味觉细胞,导致味觉能力的退化。   说完了辣,再来说说鲜为什么是一种味道。鲜的英文是umami,从发音上就可以看出来,是日语对于英语的又一贡献。当然,早在西方世界不知道日本为何物时,罗马人就已经懂得使用发酵的鱼酱来提鲜了。但是,真正在科学上研究并搞清楚鲜味本质的是一位日本的教授。于是很自然的,他把这种从未被明确作为味道提出来的鲜味用日语来命名了。   感受鲜味的受体所探测的化学物质是谷氨酸,它是组成蛋白质的20种基本氨基酸之一。而我们今天所用的味精,其主要成分就是谷氨酸的钠盐。有生物学家认为,之所以我们要懂得辨别鲜味,主要是为了判断食物中蛋白质的含量。不过也有生物学家对此持保留意见。或许,我们的汉语能在这个问题上做出贡献。“鲜”这个字本身有“新鲜”的意味。鲜味很可能最早代表着肉类食物的新鲜程度。我们在进化中保留了对这种味道的鉴定能力,很可能是为了吃到营养价值更高、更健康的新鲜肉食。   值得一提的是,很多人都认为舌头上品尝各种味觉的区域是不同的,所以品葡萄酒的时候才要把舌头卷起来,防止舌头两侧对酸味敏感的区域碰到酒液。就连周星驰的《大内密探零零发》中也曾对此有过细致而夸张的演绎。但其实这是完全没有科学道理的。现代生物学研究表明,各种味觉感受器在人舌头上的分布的确是有区域的,但这些区域完全重叠在一起。具体来说,舌头的中间部分基本没有味觉能力,而前半部分和后部以及两侧则具有完全相同的味觉能力。 英文标注原图版权归《自然》出版集团所有 五味之外   除了“酸、甜、苦、咸、鲜”这五种基本的味觉之外,我们的舌头还有其它一些不那么敏感的味觉能力。如果口腔内出血,有的人会尝到一种铁锈味。这实际上是血液中用于携氧的铁离子被我们的舌头探测到了。这种味觉能力可以让我们对鲜血有足够的敏感度,在人类还需要捕猎为生的原始时期肯定是极为有用的。另外,我们的舌头上还有能够结合脂肪分子的受体蛋白,所以肥肉所带来的愉悦口感实际上也有一部分是味觉作用。   当然了,只靠五种基本的味觉不可能组合出舌尖上的中国那千变万化的味道。或许很多人并不清楚,各种食物的味道,大部分是靠鼻子闻,而不是靠舌头尝。大家肯定都有过感冒了吃饭不香的经历,其中很大一部分原因就是因为我们鼻腔里的嗅觉细胞全都被鼻涕覆盖住,闻不见气味了。有科学家做过更严格的实验,证明我们在闻不到气味的时候,根本分辨不出自己吃的是什么食物,喝的是什么饮料,甚至连茶和咖啡都区分不开。   有趣的是,在嗅觉细胞表面用于探测各种气味小分子的接收器,是一种与味觉受体非常相像的受体蛋白质。更不可思议的是,在我们视网膜上探测光信号的蛋白质,与味觉受体和嗅觉受体也是极为相似的。这些受体蛋白统统属于同一个大家族,学名称为G蛋白偶联受体。2012年诺贝尔化学奖两位得主的获奖原因,正是由于他们在这个家族蛋白质的研究上所做出的巨大贡献。   与味觉不太相同的是,嗅觉受体能感受的小分子种类要多得多。人类基因组计划研究结果显示,我们每个人可能有384种不同的嗅觉受体蛋白。不过,与其它哺乳动物相比,人类在进化中已经丢失了超过一半的嗅觉蛋白基因。这或许是因为我们不用撒尿去圈地盘,也不用在黑夜中靠嗅觉发现敌人或猎物,更不用靠闻体味来辨别亲人。话说回来,这384种嗅觉也足够了,足够我们缔造一个美食的浮华世界——只不过,它未必是在舌尖上的。
个人分类: 付梓拙作|11859 次阅读|21 个评论
7,一个神奇的数字
热度 9 x0xu0008 2013-4-6 01:28
在生物学中,很多数字都很有趣。比如密码子由 3 个碱基组成;有 4 种碱基;人类 23 条染色体,等等。但我觉得,最神奇的数字是 7 。不信?接着往下看! 跨膜蛋白常常跨膜 7 次。 G 蛋白偶联受体( GPCRs )是一个非常大的家族,人类基因组中大约 4% (约 800 个基因)蛋白编码基因是 GPCRs 。 GPCRs 也叫 7 次跨膜受体( 7TMreceptors ),因为他们跨膜 7 次 1 。 MicroRNA 识别 mRNA 常常依赖于平均 7 个的“种子”序列 2 。 最近一篇文章发现, DNA 修复以及转录过程中解链的 DNA 或者 RNA ,需要 7 个核酸的互补,才能实现退火和结合 3 。 MicroRNA 的长度常常是 21 个碱基左右,是 7 的 3 倍 2 。 piwi-interactingRNA ( piRNA )的长度常常是 26-31 个碱基左右,大约是 7 的 4 倍 4 。 为什么在以上的情况中,大自然选择了 7 这个数字呢? 生命存在的基础是稳定基础上的变化。没有稳定,生命不能存在;没有变化,生命无法进化以适应环境改变。 7 可能赋予了生命稳定和变化。 在蛋白跨膜中, 7 次能保证蛋白结构的稳定和一定的变化;在 DNA , RNA 互补配对中, 7 是稳定的,同时也不是一成不变的,所以有了各种复杂的调控。 比较 microRNA (大约 3 × 7=21 )和 piRNA (大约 4 × 7=28 ),可以推测,这类 piRNA 与靶序列的结合强度和稳定性要大于 microRNA ,变化的可能性要小于 microRNA ,因而可能不像 microRNA 那样灵活地发挥对 mRNA 的调控作用,更有可能参与染色质的结构改变等功能。 Gprotein-coupledreceptors.Wikipedia. microRNA.Wikipedia. AruleofseveninWatson-Crickbase-pairingofmismatchedsequence.NaturestructuralmolecularbiologyVOLUME19NUMBER6JUNE2012. piwi-interactingRNA.Wikipedia. SnapShot:KeyNumbersinBiology.Cell141,June25,2010.
个人分类: 科普|8184 次阅读|9 个评论
GPCR传输的信号不过是一些自由能,而不是什么怪物
热度 6 chemicalbond 2012-11-13 07:21
网上有很多人谈论今年的诺贝尔化学奖,它是关于GPCR的机理,尤其是结构生物学帮助人们对那些机理的理解。不过,那个热门科学话题很快受到了冷遇,那是因为莫言拿了文学奖。最近听了一个关于GPCR炸药奖的报告,虽然报告的内容还基本上是关于结构生物学,不过,它再次让我思考一些相关的问题。 比如,这个奖跟化学有几毛钱的关系? 再比如,人们一谈起GPCR,便想起它是很多药物研发的靶子蛋白,是关于信号传输的。 什么是信号传输啊? 很多年前就老看到文献中有这个关键词。 我老是觉得那个词汇很抽象,不好懂。现在看来,那个“信号”其实就是热力学上的自由能。生物过程不外乎就是关于各种大小分子之间的相互作用与转化,那么这个过程前后的自由能变化就决定了那个过程是否发生,进行的程度如何。显然,本文的主题GPCR有关过程的开端通常来自小分子(体内激素或者是口服的药物分子),当它们碰到具有一个口袋可以和小分子匹配的受体蛋白如GPCR,就可以活化蛋白,也就是2者的结合能弥补GPCR从一种低自由能状态转化到高自由能状态:结构的改变也可以说是自由能传输的信号。后面发生的一系列事情都取决于GPCR是否处于那种活化的状态,各种过程能够发生也都是因为满足了热力学上的条件。而其中的一些过程就可能涉及酶催化,那就是正儿八经的化学了。 【注:时差没有倒完,就随意写点,以后有时间再补充。下面的参考网页有很多相关内容,可以帮助理解。】 【补充:只讲了“信号”,忘了解释“传输”。这里的传输是因为GPCR是跨膜蛋白,小分子在膜外,G-蛋白,GTP,等等其它大分子在膜内。也就是说,小分子跟GPCR在膜外的相互作用改变了GPCR的结构,使它活化,然后才有后续的膜内各种过程。GPCR的功能便是细胞膜内外自由能的“传输”。】 参考: (1). GPCR: http://en.wikipedia.org/wiki/GPCR (2). 信号传输: http://en.wikipedia.org/wiki/Signal_transduction (3). 自由能: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermodynamic_free_energy (4). 2个分子过程发生的相对几率大小 (P1 P2)跟它们之间自由能变化(dG1,dG2)的关系:dG1-dG2=-R*T*log(P1/P2),R 是气体常数,T 是绝对温度。这个简单的数学关系告诉我们,一个过程的自由能变化越负,它发生的几率就越大。生物体系就是分子体系,它的各种过程如何发生都是根据这个来的。药物分子之所以成为药物,就是它能够通过和靶体蛋白的结合自由能,并且通过那个自由能(“信号”)触发关键的疾病有关的生物过程几率减小。很多药物和靶体蛋白的结合平衡常数大概是纳摩尔(10^-9 nM)数量级,它可以提供的自由能差不多就是 12kcal/mol. 【窃以为这种理解需要科班出身的(物理)化学背景,这大概也是GPCR的工作可以得化学奖的一个原因吧。】 (5). 科学网热力学王季陶老师的博客有不少关于热力学文章 http://blog.sciencenet.cn/u/jitaowang (6)炸药奖网站给出的专业资料 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2012/ # (附件) advanced-chemistryprize2012.pdf
个人分类: 科普与新知|3060 次阅读|20 个评论
First NMR GPCR structure released
热度 1 albumns 2012-10-23 22:38
The structure of the chemokine receptor CXCR1 in phospholipid bilayers was released these days in Nature Letters. This is the first NMR GPCR structure and The receptor is in liquid crystalline phospholipid bilayers, without modification of its amino acid sequence and under physiologicalconditions. Such features may provide a more close view towards GPCR's function. Structure of the chemokine receptor CXCR1 in phospholipid bilayers Sang Ho Park,Bibhuti B. Das,Fabio Casagrande,Ye Tian,Henry J. Nothnagel,Mignon Chu,Hans Kiefer,Klaus Maier,Anna A. De Angelis,Francesca M. Marassi Stanley J. Opella Abstract CXCR1 is one of two high-affinity receptors for the CXC chemokine interleukin-8 (IL-8), a major mediator of immune and inflammatory responses implicated in many disorders, including tumour growth 1 , 2 , 3 . IL-8, released in response to inflammatory stimuli, binds to the extracellular side of CXCR1. The ligand-activated intracellular signalling pathways result in neutrophil migration to the site of inflammation 2 . CXCR1 is a class A, rhodopsin-like G-protein-coupled receptor (GPCR), the largest class of integral membrane proteins responsible for cellular signal transduction and targeted as drug receptors 4 , 5 , 6 , 7 . Despite its importance, the molecular mechanism of CXCR1 signal transduction is poorly understood owing to the limited structural information available. Recent structural determination of GPCRs has advanced by modifying the receptors with stabilizing mutations, insertion of the protein T4 lysozyme and truncations of their amino acid sequences 8 , as well as addition of stabilizing antibodies and small molecules 9 that facilitate crystallization in cubic phase monoolein mixtures 10 . The intracellular loops of GPCRs are crucial for G-protein interactions 11 , and activation of CXCR1 involves both amino-terminal residues and extracellular loops 2 , 12 , 13 . Our previous nuclear magnetic resonance studies indicate that IL-8 binding to the N-terminal residues is mediated by the membrane, underscoring the importance of the phospholipid bilayer for physiological activity 14 . Here we report the three-dimensional structure of human CXCR1 determined by NMR spectroscopy. The receptor is in liquid crystalline phospholipid bilayers, without modification of its amino acid sequence and under physiological conditions. Features important for intracellular G-protein activation and signal transduction are revealed. The structure of human CXCR1 in a lipid bilayer should help to facilitate the discovery of new compounds that interact with GPCRs and combat diseases such as breast cancer. full text link http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature11580.html
个人分类: 科研笔记|3783 次阅读|1 个评论
诺奖周观光杂感
guoweihehe 2012-10-13 11:31
本周花了很多时间关注诺奖,或许是在这个博士研究生生涯即将结束的岁月里的触景生情。想起当年在克隆羊多莉的咩咩声中选择生命科学的盲目和好奇,不禁自问当年的壮志豪情何在?想起在山东师大读书时,有幸遇到的那个领导科研团队利用胎儿皮肤上皮细胞完成世界上首例克隆牛的可爱、可敬的李云龙教授,先生的谆谆教诲犹在耳畔;想起在实验室讨论山中伸弥 2006 年 cell 文章时候的震惊,感慨思路的巧妙和实验操作上的疯狂。 其实一直关注诺奖,因为获奖工作是我心目中的英雄壮举。从读《三国演义》开始,就对各种英雄充满敬意。后来才慢慢体会到是因为钦佩他们面对生活提出的重要问题所表现出的勇于承担,喜欢探索他们如何在信息不完整、不透明的情况下做出判断。而这才是生活的真实——没有什么预先设定。 科研探索也是如此吧。现在教科书上有关 GPCR 的介绍清晰明了,但和当年的发现历程根本不符。因此一直对照本宣科讲解教科书知识的老师不感兴趣,那看似逻辑严密的讲解,不过是对于一幅没有生机的画面的看图说话。而那些在 GPCR 信号转导模式建立后,还大谈特谈自己更精细化的研究——发现了新的 G 蛋白,或者新的分子可以激活这个通路,或者这个通路在什么疾病中可能有作用——多么重要的学者,总给我一种末路英雄的感觉。 现在 GPCR 的研究很火,恐怕多数时候已经不是要深入认识什么生命现象和规律,而是希望通过对蛋白的认识有助于我们开发新的药物。但是,如果不按照研发药物的标准来做(不要求一定能开发成功),恐怕就只能发篇 paper 完事。看到很多人美其名曰说这样的工作是纯粹的基础研究,恐怕是忘记了从更广阔的历史阶段来看,忘记了那些实验室问题最初的生活来源——忘记最初为什么会发现 GPCR 并努力研究其可能的工作原理和工作效果。我有时怀疑,这不过是一种逃避。
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糖原代谢引爆的连环诺奖
热度 4 guoweihehe 2012-10-11 23:07
GPCR 信号转导系统,是大学生命科学专业的重头戏。在生物化学、分子生物学、细胞生物学、生理学等主干课程上会相逢重相逢。如果不慎选修了发育生物学、神经生物学等课程,还会产生故人相逢、哈欠连天的感觉。低估我们的智商、浪费我们的青春也就算了,显示了大学课程设置之无序,就哼哼哈哈哈了。如果有下列的精彩介绍,我想一遍就足以。 下文是 台湾阳明大学的周成功教授写于 1994 年的一篇文章,时代之久远,让 80 后的我感慨万千。但文章中对于由糖原代谢这一重要生命过程所引发的一系列诺奖工作的介绍,今天读来仍精彩纷呈。原文发表在台湾科学月刊,周教授时为该杂志社社长。海峡两岸对于某些专业术语的翻译略有差别,但不会影响理解。括号内黄色部分为本人所注,希望可以有助于理解 GPCR 更广阔的工作。 1994 年诺贝尔生理医学奖 周成功(荣民总医院医学研究部) 科学家在从事研究工作的时候,就好像在解一连串的谜语般,一个接着一个。每一个答案不仅让我们多了解了一些事实,但同时也带来更多的问题。今年诺贝尔生理医学奖得主,其背后所呈现出的就是这样的一个历程。 肝糖分解作用蕴育了多次诺贝尔医学奖 在三○年代,科学家就已经发现,在我们身体里有一些腺体分泌荷尔蒙,荷尔蒙再经由血液循环系统,送到全身各部位,然后在那里发挥它的生理功能。 譬如说肾上腺( adrenal gland )分泌肾上腺素( epinepbrine ),肾上腺素到了肝脏,就可以活化肝脏中一连串的肝糖水解去分解肝糖,产生葡萄糖而释放到血中。但是荷尔蒙怎么去控制肝糖水解的活性呢? 1947 年,第一次得奖 四○年代 ,美国圣路易市的华盛顿大学是当时生化学的重镇。柯里( Cori )教授夫妇带了一群年轻学者,全力试图解决这个问题,柯里教授夫妇因为阐明了肝糖分解( glycogenolysis )的机制,在 1947 年共同荣获诺贝尔医学奖。 1971 年,第二次得奖 接下去的问题就是荷尔蒙是怎么去调控肝糖水解酶的活性?柯里的一位得意门生邵斯兰( E. Southland )接下了这个工作;但同时另外有二位年轻的科学家克列氏( Krebs )和费希尔( Fisher ),也在研究肝糖水解酶的活化机制,他们彼此相互激励。 邵斯兰发现,原来肾上腺素必须先作用在细胞膜上,即活化细胞膜上的一个叫 AMP 环酶( adenylate cyclase )的酵素, AMP 环酶就把细胞里的 ATP 转换成 cAMP ( cyclic AMP )。 cAMP 就可以在细胞内活化肝糖水解酶,加速分解肝糖。邵斯兰认为肾上腺素是细胞外的一级讯号( 1 ° messenger ),它必须经由一道讯号转换( signal transduction )的程序,在细胞内产生真正调控生理功能的二级讯号( 2 ° messenger )── cAMP 。 邵斯兰因为发现 cAMP 而得到 1971 年的诺贝尔医学奖。 (获奖的工作在五十年代中期完成) 1992 年,第三次得奖 接下来又衍生出二个问题,一是 cAMP 如何活化肝糖水解糖? 这个问题由克列氏及费希尔二位教授继续研究。 他们在 七○年代 证明, cAMP 须要经过一连串蛋白激酶( proteinkinase )的作用,像推骨牌般,利用蛋白磷酸化( phosphorylation )的作用,把这个讯号一级级放大。 蛋白磷酸化作为细胞内一个重要的调控机制,立刻成为当代生物医学研究的重点,从细胞的生长分裂、癌细胞的形成、到基因的表现,无不与此有密切关系。 克列氏及费希尔二人也在 1992 年得到诺贝尔医学奖。 另一个问题就是,荷尔蒙如何经由细胞膜表面的受体( receptor )来活化 AMP 环酶? 解决这个问题最简单的模式就是,也许荷尔蒙受体本身就含有 AMP 环酶的活性,或者荷尔蒙受体与 AMP 环酶分别代表细胞膜上二个不同但可自由流动的蛋白,而荷尔蒙与受体结合后,透过碰撞来活化 AMP 环酶。 要解决这个假设模型的最直接方法,当然是设法把 荷尔蒙受体纯化 出来,看看它是否有 AMP 环酶的活性。 但是细胞膜上的蛋白非常不容易纯化,这个问题该怎么解决? (受体的克隆工作,一直在进行。 2012 年的诺贝尔化学奖就是这部分工作。有关发展历史介绍,请参见饶毅老师的《一个可能的诺贝尔化学奖》) 今年诺贝尔医学奖的研究过程 六○年代中,邵斯兰教授的研究群来了一位医学生,想解决这个问题,他就是荣获今年诺贝尔医学奖之一的吉尔曼( A. Gilman )。 吉尔曼的父亲是美国药理学界的大师,他写的药理教科书可说是药理学的圣经,当然从老吉尔曼退休后,小吉尔曼接替了新版的修订、更新至今! 吉尔曼刚开始从生化入手,结果非常不顺利,环酶( cyclase )的纯化工作,停滞不前。 这时候有二项重大的发现 , 改变了这个困境! GTP 蛋白的作用 首先就是也共同荣获今年诺贝尔医学奖的另一位美国国家环境卫生研究院的罗德贝尔( M. Rodbell )。 在当时,他把细胞膜取出来,单独加上荷尔蒙,虽然受体还在,但环酶并不会活化,直到另一个小分子:鸟苷三磷酸( Guanosinetriphosphate, 简称 GTP )加进来后,环酶才会开始活化。 GTP 在环酶活化的过程中,究竟扮演什么角色? 罗德贝尔认为它可以是环酶上的一个必须活化因子,但也可能是另一个蛋白所必需,而那个未知的蛋白,在传递来自荷尔蒙受体到环酶间的「讯号」,扮演必要的角色。 罗德贝尔的发现,最初颇引起争议,有人无法重复他的结果,有人则发现 GTP 的作用其实很小。 当时有个著名的卡通笑话,就是教授指着结果说:「你们可以很清楚地看到, GTP 对实验误差有巨大的影响!」。 不过随着测试技术的进步,大家逐渐接受罗德贝尔的结果。 但是 GTP 在作什么? 环酶的纯化和作用 七○年代初期,可说是 cAMP 的时代,什么人都想把自己的研究和 cAMP 扯在一起。这时就有幸与不幸之分了:美国约翰霍浦金斯( John Hopkins )大学一群原先在研究霍乱菌所分泌的毒素的医师们,发现霍乱毒素在小肠的上皮细胞中,可以直接活化环酶,而在细胞中产生大量 cAMP ,从此细胞只分泌而不再吸收水分而造成腹泻的原因。 但是霍乱毒素活化环酶的过程中,仍然需要 GTP ,但与荷尔蒙活化环酶的过程(机制)略有不同。 对后者而言, GTP 会不断地被 GTP 水解酶分解过;而前者却不会很明显。霍乱毒素可能一方面抑制 GTP 水解酶的活性,一方面活化环酶。 GTP 水解酶的活性和环酶的活化又有什么关系呢? 就在这个错综迷离的局面,加州大学旧金山分校的汤金斯( Tomkins )教授培养了一种老鼠的血癌细胞,该细胞有肾上腺素的受体。 若加了肾上腺素,细胞上的环酶就被活化,细胞中 cAMP 大量增加;有趣的是,这时细胞居然死了!这样一个独特的系统,汤金斯立刻了解到,可以利用细胞这项特点,来寻找参与 cAMP 作用种种蛋白的突变。简单地说,把肾上腺素加到细胞中,诱发大部分细胞的死亡,仅让少数突变种的细胞存活下来。接下来,只要仔细检查这些突变种细胞究竟是那些参与的蛋白坏了,从中可以找到各式各样的突变种:有的是荷尔蒙受体坏了,有的是环酶坏了,还有的是 cAMP 激酶坏了! 吉尔曼看上了一个叫 Cyc - 的突变种,这个细胞表面有正常的受体,在加了荷尔蒙后,环酶未见活化, cAMP 不增加,细胞当然就不会死了! 初看之下,这个细胞问题,似乎是它的环酶坏了! 吉尔曼将一个好的细胞膜的蛋白质溶出来(里面含有好的环酶),加入 Cyc - 的细胞膜中,结果真的可以看到荷尔蒙刺激环酶活化的现象。 此一结果至少证明了荷尔蒙受体与 AMP 环酶分别是二个不同的蛋白质。 接下来,吉尔曼把好的环酶活性破坏后,再加进 Cyc - 的细胞膜中,仍然可以看到荷尔蒙所刺激的环酶活性。 这个环酶从何而来? 一个合理的解释,就是原先 Cyc - 细胞中的环酶并没有损坏,而是受体要把讯号传给环酶时,需要一个「中继站」。 一旦 Cyc - 细胞中的中继站坏了,纵然环酶良好,它也无法再被受体活化。 幸运的是,吉尔曼在破坏好的环酶时,还好没有把好的中继站也同时弄坏了,所以我们可以看到吉尔曼后者实验的结果。 如果这个推论是正确的,那么吉尔曼就应该可以用这个系统,来纯化那个想像中的「中继站」。 G 蛋白的结构组成及其作用机制 吉尔曼经多年努力终于在八○年代初,纯化出这个「中继站」 。 它包含了三个蛋白质,分别命名为α、β、γ,至此从受体到环酶间讯号传递的真象大白:α蛋白平时和 GDP 结合而与βγ形成没有作用的复合体。 当受体与荷尔蒙结合后,会促使α蛋白释放出 GDP ,再与 GTP 结合,同时会促使βγ离开α。 单独与 GTP 结合的α蛋白,就可以直接活化 AMP 环酶。 但α蛋白本身也是一个 GTP 水解酶,它立刻将「身上」的 GTP 水解出 GDP ,于是α蛋白重新再与βγ结合成失活的复合体,而中止这个讯号传递过程。 霍乱毒素的作用就是以化学修饰α蛋白,让α蛋白失去 GTP 水解酶的活性;如此一来,一旦 G 蛋白结合了 GTP ,它无法将 GTP 水解,那么α蛋白就一直停留在活化的状态。 AMP 环 也就源源不断地制造 cAMP ! 得奖的引伸意义 G 蛋白的研究在八○年代,掀起了另一个高潮。 利用分子生物学的技术所发现的大大小小 G 蛋白,多达二、三十种,而透过各种 G 蛋白作为讯号传递中继站的荷尔蒙受体,则多达三百多种。 ( 2004 诺贝尔奖嗅觉研究也是在这个背景下进行的,最初的文章发表 1991 年的 cell 上。) 除了 cAMP 外,英国的柏瑞奇( Berridge )教授发现另外一个重要的荷尔蒙二级讯号──肌醇三磷酸( Inositol 1,4,5-trisphosphate,IP 3 )和钙离子( Ca ++ );而日本的 Nishizuka 教授发现接受钙离子讯号的蛋白激酶( Ca ++ -dependent protein kinase )。 于是讯号传递成了大家日常朗朗上口的热门话题。 1989 年,有诺贝尔最佳预测奖之称的美国亚伯拉斯卡( Albert Laska Award )医学奖,就颁给了克列氏、柏瑞奇、 Nishizuka 、吉尔曼四人。 二年前克列氏得诺贝尔医学奖,而今年吉尔曼再度获奖,都显示出细胞讯号传递这个领域的蓬勃发展。 从柯里、邵斯兰、克列氏、吉尔曼,我们可以清楚地看到:科学家面对一个重大的科学问题时,如何地抽丝剥茧,一层层深入地破解自然的奥秘。 在这个探索的过程中,没有人问过,这样的研究有什么立即的应用价值,或是它可以开发出什么产官学合作计画。 我想只有到一天,我们不再汲汲于把这些问题摆在优先,那么我们的科学发展才算成熟,我们才算真正地更向诺贝尔奖走近了一步!
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记我的博士后导师Brian Kobilka:当之无愧的科学英雄
热度 28 yeastboy 2012-10-11 15:00
记我的博士后导师Brian Kobilka:当之无愧的科学英雄
今天半夜两点钟(美国西部时间)的时候,我被香港大学一个同学急促的电话吵醒,他激动地对我说,你的老板获得诺贝尔奖了!我当时非常地惊讶,虽然很多人预测Brian Kobilka会获得诺贝尔奖,但是我真得没有想到会这么早。估计我是实验室里除了Brian和他的夫人Tongsun之外知道这个消息最早的人了。最近一年来我一直学习导师Brian的做事风格踏实专心地做科研,虽然课题非常challenging(挑战性),但是潜移默化地受到Brian的感染,对于自己的课题始终抱有信心,当然希望最终会取得成功。记得施一公教授曾在苏州冷泉港会议给我们说,Brian是一个真正的hero(英雄)。随着自己研究和与Brian的交流的日益深入,我越来越体会到这个词的分量。于是我按捺不住想说几点我的感想,纯粹杂谈,没有什么特别的逻辑性。更希望我们这些资历尚浅的后生能从他身上学到科学研究所应该具备的一些可贵品质。 一、HHMI也有看走眼的时候 GPCR(G蛋白偶联受体,G-protein coupled receptors)作为人类基因组编码的最大类别膜蛋白超家族,有800多个家族成员,与人体生理代谢几乎各个方面都密切关联【1】。它们的构象高度灵活,调控非常复杂,天然丰度很低,起初非常难以研究。美国杜克大学的Robert J. Lefkowitz(与Brian分享诺奖并是他的博士后导师)在这个领域做了非常多开创性的工作和贡献。Brian就是在Robert的实验室里首先克隆了人Beta2肾上腺素受体的cDNA序列,开始了与GPCR研究的不解之缘【2】。自从Brian在斯坦福大学医学院开始独立研究以来,十几年的时间里一直没有重大的突破,导致HHMI(霍华德休斯医学研究所,Howard Hughes Medical Institute)这种擅长支持长期高风险研究的机构都没有耐心了。HHMI于是在2003年左右的时候停掉了Brian的funding。那几年确实非常艰苦,并且由于课题风险太高,Brian都不敢也没有条件招收postdoc。不得已他只能自己做实验,不过幸亏那几年Brian还是靠着NIH(美国国立卫生研究院,National Institutes of Health)的R01资助坚持了下来,并于2007年解析了第一个人非视紫红质GPCR的晶体结构,取得了初步的成功【3】。当我们看到他现在的光环时,很少有人能体会到他过去的艰辛。现在回首看来,我认为一方面是默默地坚持,拥有一颗强大的心脏承受失败,对于科研非常重要;另一方面,我们也看到,HHMI也有看走眼的时候~我觉得美国有时候很奇怪,我知道的有时即使是诺贝尔奖获得者,也不能保证funding(科研资助)每年都能顺利renew(更新)。虽然Brian现在每年都还在担心funding的问题(估计是被那几年搞怕了),但是我相信按照现在实验室的研究势头在今后的几年应该不会是个问题吧。 二、Brian Kobilka获得诺奖的主体工作 我听到不少人说,GPCR结构生物学领域最终肯定会获得诺奖。这里不得不佩服饶老师看待当前生命科学前沿动态的精准眼光【4】。在GPCR这个竞争日趋激烈的领域,Brian确实是一个几乎完美的成功者。举个例子,当人遇到危险或紧张时,肾上腺会分泌一种激素,叫肾上腺素。它作为配体,犹如一把钥匙,高度特异性地打开或者激活 肾上腺素受体 这把锁。然后细胞就能感受到这一外部的危险,并快速做出相应的生理反应。比如 心跳变快, 瞳孔放大,呼吸加速,肌肉收缩等来应对,即所谓的fight-or-flight(迎战或逃跑)。 Beta2肾上腺素受体一直是研究GPCR最标准的模式受体。Brian就是围绕这个受体开展了长达二十多年的工作。厚积薄发,在最近的几年里才有最为出色的突破和进展。这些成果为GPCR领域很多一般性的重要生物学问题提供了重大的启示,并同时为基于GPCR结构的药物开发起着重要的推动作用,因此成为很多国际大型制药公司争相追逐的热点。虽然Brian在其它GPCR领域也做出了很多出色成果,但是围绕 Beta2肾上腺素受体相对是最完备的工作,我猜想这应该是今年Brian接受诺贝尔奖的主体工作吧。简单列举如下: 1)Brian在2007年与Raymond研究组合作解析了非活化 Beta2肾上腺素受体的晶体结构。Brian在这个成果上的主要贡献是基于首次发明了T4溶菌酶融合的技术对该膜蛋白做了长期大量的纯化制备和生化研究,Raymond研究组则主要负责数据收集和结构解析工作。另外,Brian还在那年独立地利用抗体稳定技术解析了这个膜蛋白。这让人们看到了神秘多年的 第一个非视紫红质GPCR的全貌; 2)Brian在2011年初解析了第一个真正处在活化状态的激动剂(agonist)结合GPCR的晶体结构(活化状态的GPCR非常活跃,更难以结晶)【6】。这里我用‘真正’一词是因为这个结构是借助于Nanobody抗体技术筛选出来的、构象选择性的、功能得到充分鉴定的G蛋白类似物帮助结晶,让人们第一次可以通过和非活化状态结构的比较来了解GPCR激活的结构生物学机制; 3)Brian 在2011年中 解析了第一个激活状态下GPCR和下游G蛋白复合物相互作用瞬间的晶体结构【5】(这个成果是在施一公教授组织的2011年苏州冷泉港会议上关于膜蛋白主题报道的,大部分顶尖的膜蛋白相关领域科学家都出席,当时震惊全场)。它让人们第一次观察到细胞外的小分子配体如何通过灵活多变的GPCR进而激活胞内体积相对巨大的G蛋白,从而传递各种各样的生理学信号。这个结构重要的科学价值我相信通过今后的引用率会慢慢得到证明,应该也是这次诺贝尔奖的皇冠之作。估计外行的人看到都会觉得很美; 4)以方法学而论,Brian为了解析GPCR及其与G蛋白的复合物结构,他和合作者一起开发和应用了若干创新的技术手段,如抗体稳定(nanobody),T4溶菌酶融合(T4 lysozyme fusion)、超强激动剂(super agonist)、共价偶联配体(covalent ligand)、新型去垢剂(new detergent type)、单分子三维电镜分析(single particle EM analysis)、改进的适用于GPCR的脂立方相晶体筛选、微束衍射(micro-diffraction)等下游很多晶体学tricks(技巧)。我相信这些技术以后也会让相关的膜蛋白结构生物学研究受益。 我刚加入实验室的时候,曾经也想向Brian提出做GPCR里一个新的A类家族的结构。按照通俗的话来说,这样做性价比很高,方法和套路在实验室非常成熟,如果运气好,可以进展非常快,有可能半年以内的时间就拿到一个inactive(非活化)的GPCR结构。按照现在的情况,肯定还是CNS(Cell/Nature/Science)级的论文。但是Brian婉拒了我的想法。他现在的研究策略是专注于三类代表性的GPCR家族,深入去做。以一些模式受体来回答这个领域里尚未回答的一些重要生物学问题。 三、承载科学家使命的Dr. Kobilka 这里Dr.我想指的更多是医生的意思。很多人知道,Brian Kobilka毕业于耶鲁大学医学院,拿到的是MD医学博士学位。因为在美国拿到MD学位的人大部分都去做了医生,因为医生在美国是一个有地位、受人尊敬并且收入高的职业。Brian也在华盛顿大学做了几年内科住院医生,但是基于对科学的热爱,毅然决然地踏上了充满各种未知的科研之路。大家可以想见的是,Brian当然没有在学生时期上过结构生物学的课程。但是他为什么能够在结构生物学的领域如此成功呢?我觉得这主要归结于他对待科学的态度、多领域的研究背景和科学的思维方式。很多人应该不知道,Brian在自己实验室早期从事了大量的细胞生物学、生理学和生化的研究工作。他在基于转基因小鼠的心脏生理研究上其实也做出了很出色的工作。加上好奇心驱动,他对相关的广泛领域都有所涉猎,具有广泛的知识面和对多个领域技术研究特点的出色理解。这让他在近几年来投身的结构生物学领域具备了扎实的基础。 有句古话,知己知彼,百战不殆。正是他这么多年积累的对于GPCR的各种性质特点充分的理解,他对哪些因素有可能阻碍GPCR晶体的生长和结构的解析有着敏锐的洞察力,而不是只依赖于晶体学本身技术和原理的认识。比如,大家知道,膜蛋白大部分是疏水的部分,这些地方是非常不利于每个蛋白质分子排列的。就像无法相互契合的砖头很难盖得好一栋完整的房子。那么自然地就是能够想办法增加膜蛋白表面的极性面积,让分子彼此之间倾向于相互靠拢,那么这栋房子就更容易盖好了。再比如,GPCR分子是高度活跃的,就像一个个很调皮活泼的孩子,让他们一个个乖乖地服从命令站好队不是那么容易,那么就要想办法能够让他们安静下来。比如给每个孩子一个好吃的糖果,让他们乖乖地听话,这样就更容易让他们服从安排。那么特定的配体就像这个糖果,让GPCR分子安静下来,不那么活跃。总之,正是基于对于GPCR分子特性的很好理解,Brian能够想出很多为GPCR晶体的生长和改善的ideas(主意)。这让我同时也想到好几年前一篇有名的科学博文“从纯化到星辰”里作者在冷泉港实验室进修的体会:真正的科学家应该不会因为过去受到的科研训练所束缚,应该随时准备好根据研究的需要学习新的东西。我觉得Brian在这点上同样是我们学习的榜样。 四、谦逊、害羞并可爱着的Brian 人常说,性格决定命运。我一直很相信这句话。虽然人无完人,但在我看来,Brian确实是接近于一个完美的人。这是我发自内心的看法。他做事低调,性格温和,为人谦虚,坚韧执着。同时,我们也看到他是一个非常合格的导师,丈夫和父亲。要真说缺点,他不太擅长和别人谈论科研以外的话题,对媒体的访问也不适应,甚至于紧张。在实验室这么久来,从来没有看到他因为任何事情对学生语气生硬过,更别说生气。他总是非常顾忌其他人的感受,如果实验室有人粗心犯了什么错误,他不会先选择直接去找这个学生说,而是会在组会上作为一个一般性的问题提出来。他的性格内敛到以至于学生有时候都会觉得不好意思。比如有时候他很想知道我一段时间的进展,他会静静地站在我的面前,看着我不好意思地微笑,欲言又止,我明白他是想让我tell something给他。我从他身上没感觉到一丁点有些大牛老板的那种push(施压)。在我看来Brian是一个非常pure(纯粹)的scientist(科学家)。 五、兴趣和工作的区别 我也常听到科研界的同事说,做科学的境界主要分为两种,一种是真心地喜欢,作为自己热爱的事业去做,是兴趣驱动地;另外一种是作为谋生的一种手段,只是选择的一个job(工作)而已。很明显从事科研的人的理想是前一种。但是往往理想很丰满,现实很骨感。由于各种主观和客观的因素,大部分都是处于后者的阶段。有时候追逐理想但远离现实时会付出很多代价,放在科研上也是如此。比如有时焦头烂额地应付各种资金申请和评审可能会把对于某个领域的热爱抛在脑后。我能一直感受到Brian对科学那种inherent(内在)的热爱。他一直被好奇心驱使着想要回答一些重要的生物学问题。他和我讨论课题时,经常使用的一个句式是:‘I am very interested in …’来表达他希望我关注并且回答的问题。实验室的每个同事都被Brian对科研的这种热爱所感染,都在享受着艰辛科研工作中所带来的乐趣。 六、Brian和他的合作者们 细心的听众可能会注意到,每当Brian在媒体面前发表所谓获奖感言时,他一直都特别强调众多合作者的贡献【8】。他说对于他工作的认可,也相当于对于合作者工作的认可。如果能了解一下Beta2肾上腺素受体和G蛋白的复合物结构,大家应该能认识到,没有很多合作实验室强大的协助,单靠一个实验室,要解析这个结构是非常困难,甚至在短期内是不可能的。坦诚地说,Brian的GPCR研究涉及到非常多前沿的技术,而往往一个实验室很难在多方面都非常专业。所以需要多方面出色的合作者一起共同来解决一些challenging的问题。但是同时会出现另外一个问题,为什么这么多出色的科学家愿意与Brian合作?根据我的了解,Brian遇到非自己专长的知识范畴时,他会如同一个学生一样,非常谦虚的主动联系相关的研究者。即使之前完全不认识,也不管对方的资历是深或是浅。他一直非常肯定合作者的贡献,并且给予合作者公平的承认,让每个合作者都心悦诚服,有时候那种不耻下问的精神非常值得学习。 七、革命尚未成功,同志仍需努力 有不少人评价Brian的工作完整地诠释了单个GPCR非活化、活化及其G蛋白复合物的结构生物学基础,系统地阐述了配体调控的G蛋白激活机制。虽然这些都是里程碑式的工作,对于GPCR领域会有巨大的推动作用。并且可以预见,GPCR作为近年来的明星分子,肯定会继续保持热度并让许多研究者投身于这个领域。但是还是有非常多基础性的重要问题还没有得到解决,比如G蛋白选择性激活的机制、非G蛋白调控通路机制(beta-arrestin)和GPCR dynamics特性的系统分析等等。正如我上面所说,Brian对于以后的研究方向有着清晰的规划,将针对一些特定的生物学问题,选择相应代表性的对象进行研究。我们坚信接下来的工作将会对这复杂而美妙的GPCR调控全景进一步进行完善。 后注1:特别需要强调的是获得诺奖的工作主要是已经离开实验室的两个博士后Soren和Daniel完成的,他们是学习的榜样,谨在此向这些师兄们致以敬意; 后注2:有个别朋友指出我这篇文章里混杂少量英文单词,虽然我也不喜欢中英文混杂的方式,因为在我看来中文语言博大精深,没有什么用中文难以表达的意思。只不过我觉得这些英文单词稍微能更精确和忠实地体现我想表达的意思。比如‘challenging’是科研领域里经常形容课题难度和风险高、‘hero’是施一公教授评价Brian的原词、‘funding'和'renew'是美国申请科研经费经常用到的术语、'push'也是我们中国学生经常形容一个老板喜欢对自己的工作施加压力等等。我都在后面注明相应意思,我觉得大部分同学应该是会认同我的观点吧。 参考文献: 【1】Fredriksson R, Lagerström MC, Lundin LG and Schiöth HB. The G-Protein-Coupled Receptors in the Human Genome Form Five Main Families. Phylogenetic Analysis, Paralogon Groups, and Fingerprints. Mol Pharmacol. 2003 Jun;63(6):1256-72. 【2】Kobilka BK, Dixon RA, Frielle T, Dohlman HG, Bolanowski MA, Sigal IS, Yang-Feng TL, Francke U, Caron MG, and Lefkowitz RJ. cDNA for the human beta 2-adrenergic receptor: a protein with multiple membrane-spanning domains and encoded by a gene whose chromosomal location is shared with that of the receptor for platelet-derived growth factor.Proc Natl Acad Sci U S A. 1987 January;84(1): 46–50. 【3】Rosenbaum DM, Cherezov V, Hanson MA, Rasmussen SG, Thian FS, Kobilka TS, Choi HJ, Yao XJ, Weis WI, Stevens RC, Kobilka BK. GPCR engineering yields high-resolution structural insights into beta2-adrenergic receptor function. Science. 2007 Nov 23;318(5854):1266-73 【4】http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=2237do=blogid=621167 【5】Rasmussen SG, DeVree BT, Zou Y, Kruse AC, Chung KY, Kobilka TS, Thian FS, Chae PS, Pardon E, Calinski D, Mathiesen JM, Shah ST, Lyons JA, Caffrey M, Gellman SH, Steyaert J, Skiniotis G, Weis WI, Sunahara RK, Kobilka BK. Crystal structure of the β2 adrenergic receptor-Gs protein complex. Nature. 2011 Jul 19;477(7366):549-55 【6】Rasmussen SG, Choi HJ, Fung JJ, Pardon E, Casarosa P, Chae PS, Devree BT, Rosenbaum DM, Thian FS, Kobilka TS, Schnapp A, Konetzki I, Sunahara RK, Gellman SH, Pautsch A, Steyaert J, Weis WI, Kobilka BK. Structure of a nanobody-stabilized active state of the β(2) adrenoceptor. Nature. 2011 Jan 13;469(7329):175-80. 【7】http://gpcr.scripps.edu/ 【8】Buchen L. Cell signalling: It's all about the structure. Nature 476, 387-390 (2011) 斯坦福大学诺奖新闻发布会现场,右边坐的是斯坦福大学校长,左边坐的是医学院院长。 不久前在接受一个科研慈善基金会庆祝仪式上的实验室全家福(老板左右两侧笑得最灿烂的是实验室仅有的两个工作极其勤奋并非常有科研天赋的PhD学生。他们的出现让我彻底改观对于美国学生不如中国学生勤奋努力的看法) 获奖后Brian和太太在空间狭小的办公室门前合影,屋里只有桌子和电脑。相邻的小隔间是实验室的生活区和Lab manager的办公地方。
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有严重知识错误的精选博文“G蛋白研究再获诺贝尔奖”
热度 1 guoweihehe 2012-10-11 10:44
有严重知识错误的精选博文“G蛋白研究再获诺贝尔奖”
有严重知识错误的精选博文“ G 蛋白研究再获诺贝尔奖” 1994 年生理或医学奖奖励 G 蛋白及其工作原理的工作 2012 年化学奖奖励 G 蛋白偶联受体的结构解析的工作。 而博文中将“ G 蛋白”、“ G 蛋白偶联受体”、“ G 蛋白受体”混为一谈。 根本不存在“ G 蛋白受体”这样的说法,“ G 蛋白”不是“ G 蛋白偶联受体”的配体。“ G 蛋白”与“ G 蛋白偶联受体”是完全不同的蛋白家族,它们之间的关系如下图所示(图片来自网络):
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The Nobel Prize in Chemistry 2012 was awarded to GPCR study
albumns 2012-10-10 18:40
The Nobel Prize in Chemistry 2012 was awarded jointly to Robert J. Lefkowitz and Brian K. Kobilka "for studies of G-protein-coupled receptors (GPCR) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2012/ Robert J. Lefkowitz Born: 1943, New York, NY, USA Affiliation at the time of the award: Howard Hughes Medical Institute, Duke University Medical Center, Durham, NC, USA Prize motivation: "for studies of G-protein-coupled receptors" Brian K. Kobilka Born: 1955, Little Falls, MN, USA Affiliation at the time of the award: Stanford University School of Medicine, Stanford, CA, USA Prize motivation: "for studies of G-protein-coupled receptors"
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旧文重读《一个可能的诺贝尔化学奖》
热度 10 饶毅 2012-10-10 18:10
一个可能的诺贝尔化学奖 http://blog.sciencenet.cn/blog-2237-433929.html 我们知道:诺贝尔化学奖委员会,不时地肯定化学和生物交叉的工作,比较常见的是生物化学和生物物理学的工作,有时也给分子生物学。 从2003到2009之间7年的诺贝尔化学奖,有5年给生物学研究:2003年钾通道的结构和水通道,2004年蛋白质降解,2006年基因转录的结构生物学研究,2008年绿色荧光蛋白,2009年合成蛋白质的核糖体结构。 结构生物学占了很大比重(2003、2006、2009)。 我们也知道:诺贝尔化学奖委员会经常犯错误,不该给的他们给了、该给的他们没给,两种错误都犯过。 2003年,不应该奖水通道的发现,因为并不足够突出:不是第一个通道(是第几十个通道)、也无特殊性。 2006年,化学家们只重视自己懂的,而忽略了同一科学领域中偏生物、但更重要的工作。基因转录领域,有两项工作的重要性毫无疑问高于解出转录因子的X线 晶体结构:发现第一个转录因子(Mark Ptashne)、发现RNA多聚酶(Robert Roeder)。但诺贝尔化学奖委员会过分强调结构而忽略了转录领域中更重要的生物学工作。 基本可以放心:化学奖委员会一如既往地跨界出现错误,既不是第一次,也不会是最后一次。 不过,化学奖委员会继续给结构生物学发奖时,如果做到一个中等偏上的研究生的水平(比如本文就是给研究生上课过程中两句带过,也是中上研究生可以写出来),就可以公平地奖励一个大家都会公认的工作。谈不上将功补过,可以证明他们不都经常肤浅。 可以奖对于GPCR(G蛋白偶联受体)的结构生物学研究。 GPCR是细胞膜的跨膜蛋白,一般来说,把细胞外的信号转入细胞内。 GPCR的发现历史很长。第一个是在19世纪发现于眼睛视网膜上。1851年,Heinrich Müller发现视网膜红紫色,认为是血红蛋白造成。年轻的德国医生Franz Boll(1849–1879)实验证明视网膜漂白并提出其物质基础是“红紫物质”,存在于视杆细胞,进行光化学反应。不幸他因肺结核而英年早逝。 Boll发表1877年论文不久,德国医生Willy Kühne很快继续其研究,大量投入时间和精力,在1878到1882年间发表22篇论文,将红紫物质称为“视紫”(visual purple),发现光化学还原,并用胆盐提取了视紫,也就是后来大家所谓的“视杆蛋白”(rhodopsin)。Kühne提出,光解构视杆蛋白,解构 的光化学反应产物刺激视神经。 以后实验证明,视杆蛋白确实对视觉非常重要。 从生物化学和生物物理学角度来说,这是第一个细胞膜蛋白。不仅对于理解视觉有推动,而且有助于以后研究和理解其他一些膜蛋白。很长时间,这是唯一被较多人研究的膜蛋白。 视杆蛋白不仅存在于有视觉的高等动物,也存在于细菌中:用于感光,虽然不能形成视觉。 哺乳类的视杆蛋白由约350个氨基酸连接组成。到1970年,洛杉矶加州大学的研究者获得其9个氨基酸顺序,1977年美国的Hargrave获得其16 个氨基酸顺序。1983年,通过分子生物学帮助,Hargrave等和俄国的Ovchinnikov等分别推出牛视杆蛋白的全顺序。 1960到1980年代,发现G蛋白调节很多递质和激素的受体,这些受体就都称为GPCR(G蛋白调节受体),氨基酸顺序类似于视杆蛋白。因为发现G调节 蛋白和提出GPCR概念,美国的Alfred Gilman和Martin Rodbell获1994年诺贝尔生理或医学奖。 这样,研究视杆蛋白和研究一般GPCR实质是同一类研究,差别只在于视杆蛋白参与细胞对光的反应、其他GPCR一般来说参与细胞对细胞外化学分子的反应,2011年3月发现果蝇视杆蛋白可能参与对温度反应。 用X线晶体衍射研究蛋白质的空间三维结构,是理解蛋白质功能的一个重要途径,可以在分子和原子水平上理解生物分子如何起作用,还可以通过结构提出合理的方 法设计新的药物,所以一直是生物与化学/物理交叉的一个重要领域。不仅以上提到的2003年以后多次诺贝尔化学奖给结构生物学,以前也较多,如:1962 年Max Perutz和John Kendrew,1964年Dorothy Hodgkin,1982年Aaron Klug,1988年Johann Deisenhofer,Robert Huber和Hartmut Michel,1997年 John Walker等,当然,这些奖也并非个个没有争议,但1962和1964的是大家公认的重要工作。 对于视杆蛋白/GPCR的结构生物学研究,几乎肯定会获得诺贝尔奖。 1997年,日本Kimura等解出了细菌的视杆蛋白结构。2000年美国的Palczewski等解出牛视杆蛋白的结构。2007年美国斯坦福大学的 Brian Kobilka和Scripps研究所的Raymond Stevens解出也是GPCR类的b肾上腺素受体的结构。其后他们和一些实验室不断解出新的GPCR结构,以及GPCR结合激动剂、抑制剂以后的结构。 目前,解GPCR的文章在Nature、Science上如雨后春笋。 从工作重要性来说,早期的里程碑非常清晰,后面的不是每次都是一个人的工作,但相对来说可以看到有些贡献比较突出,如:获得视杆蛋白氨基酸序列贡献最大 是美国的Hargrave,最初解细菌视杆蛋白结构是日本大阪生物分子工程研究所的Yoshiaki Kimura,第一个解动物视杆蛋白结构的Palczewski,第一个解非视杆蛋白的GPCR结构的Brian Kolbika。 实际上,如果诺贝尔化学奖委员会水平稍微提高一点,1997年解细菌视杆蛋白的Yoshiaki Kimura应该于2003年获奖。那年,因为1998年第一个解钾通道蛋白的MacKinnon获奖。2003年的奖应该给MacKinnon和 Kimura,而不应该给做水通道的工作,因为MacKinnon和Kimura分别解出两个非常重要的膜蛋白结构。当然,化学奖委员会水平有限,只知道 跟踪生物的热点,钾通道解完后,立即受到大家重视,化学奖委员会就知道重视,而视杆蛋白那时没有热起来,所以化学奖委员会就不知道自己做功课了。 最近几年,因为GPCR受体结构非常热门,所以,水平如化学奖委员会也会知道,所以肯定会给。 不过,纵观其历史失误率,也可以猜想它还很可能犯错误,比如忽略生物学重要的Hargrave做的一步,或再度忽略Kimura的工作,而只给做牛视杆蛋白和后面GPCR的科学家、甚至只给做GPCR受体的。 无论这个委员会怎么犯错误,对于稍花点时间看这个领域的人来说,发现重要的工作并非难事。 在视杆蛋白是冷门的时候,没有几个实验室竞争研究其结构。在GPCR没有解出一个的时候,竞争也不多。现在成为热点,解一个GPCR结构发一篇文章、吸引一批读者和引用的时候,真正突破的,还是以前几个主要工作。 从生物学机理理解需要来看,结构生物学将在可以预见的将来继续发挥很大作用,其中经典的X线衍射结构分析,也会继续很有用。如果今后能够做大分子活体 结构、动态结构、在生物体系中观察结构变化,而不局限于结晶的分子、水中的小分子,那么广义的结构生物学将起更大作用。 Müller R (1851). Zur Histologie der Netzhaut. Z. Wiss. Zool. 3:234-237. Boll F. (1877) Zur Anatomie und Physiologie der Retina. Arch. Anat. Physiol. Physiol. Abt:4-35. Ripps H (2008). The color purple: milestones in photochemistry. FASEB J 22:4038-4043. Kühne W. (1879) Chemische Vorgänge in der Netzhaut. Hermann L. eds. Handbuch d. Physiologie d. Sinnesorgane Erster Theil, Gesichtssinn. F.C.W. Vogel Leipzig, Germany. Kühne W (1882). Beiträge zur Optochemie. Untersuchungen aus dem physiologischen Institute der Universität Heidelberg 4:169-249 Wolf G (2001). The discovery of the visual function of Vitamin A. J Nutrition 131:1647-1650. Heller J, Lawrence MA (1970). Structure of the glycopeptide from bovine visual pigment 500. Biochemistry 9:864–869. Hargrave PA (1977). The amino-terminal tryptic peptide of bovine rhodopsin; a glycopeptide containing two sites of oligosaccharide attachment. Biochim Biophys Acta. 492:83–94. Hargrave P. A., McDowell J. H., Curtis D. R., Wang J. K., Juszczak E., Fong S. 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(2007) Crystal structure of the human β2 adrenergic G-protein-coupled receptor. Nature 450:383-387 Jaakola, V. P. et al. (2008) The 2.6 angstrom crystal structure of a human A2A adenosine receptor bound to an antagonist. Science 322:1211-1217 Shen WL, Kwon L, Adegbola AA, Luo J, Chess A, Montell C (2011). Function of rhodopsin in temperature discrimination in Drosophila. Science 331:1333-1336. 发表于2011年4月15日《北大校刊》 http://blog.sciencenet.cn/blog-2237-433929.html
个人分类: 科学|20438 次阅读|12 个评论
Dedicated stategies for GPCR MD simulation
albumns 2012-7-27 02:43
As the most important membrane protein, GPCR MD simulation is a quite hot topic nowadays. However, how to assemble protein/membrane system and which forcefield to assign for the whole system are two main critical and tough task for GPCR simulations. 1. Assemble protein/membrane system Many tools are now available for protein/membrane building including: VMD (http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/) CHARMM-GUI (http://www.charmm-gui.org/) Desmond System Builder (http://www.deshawresearch.com/resources_desmond.html) g_membed (http://wwwuser.gwdg.de/~ggroenh/membed.html) InflateGro (http://moose.bio.ucalgary.ca/index.php?page=Translate_lipdis) VMD can support well for POPC and POPE membrane system building with CHARMM27 and CHARMM36 FF. H owever, one have to add additional solvent and i ons into the syst em by tcl script from VMD tutorial. It will also n eed some script to merge membrane and protein. Moreover, since the lipids are not pre-equilirated, it would be necessary to equ ilibrate the whole system at least 20 ns before MD production. CHARMM-GUI aims to provide more convenient way for NAMD or CHARMM sim ulation. It can gene rate a embeded protein/memb rane system with OPM position through web page interface. It even can helps to assi gn CHARMM CGFF for the ligand. H owever, the re are also some o bvious week nees for it: there are so many atom clashed between lipids that we can hardly believe the lipids are pre-eq uilib rated which claimed by the author; the input file provided by CHARMM-GUI is not good enough for membrane protein simulation s ince the whole quilibration step on ly contains no m ore than 3 ns and obvious GPCR helix movement are of ten observed w ithin such short time which shouldn't expected at this time scale level. So, one have to improve the protocol by himself. Desmond System builder tool is incorporated in Schrodinger Maestro GUI and it provides very friendly interface for users. It can build a OPM based position for pr otein/membrane system very easily by c licking some bottoms . It can also assign CHARMM36 FF by VIPARR tool in D esmond. Both g_membed and InflateGro are tools w ithin Groma cs and both of them can embed the prot ein into a pre-equlibrated membrane system which save lot of ti me for equilibration . Although g_membed is a little bi t diff icult than InflateGro, but the output seems to be much better than the later one. 2. Force filed It is said that CHARMM36 FF is the best FF for lipids which i s currently the only FF can reproduce lipid gel phase property. Howe ver, recen t Lipid 11 FF from latest Amber 12 is also claimed to be as good as CHARMM36 FF , al though related p aper is being revi ewed th ese days. Both full atom FF are quite good option for protein system simulation. There are also other FF and me thods including Gromos FF which is a united atoms FF and nowadays coarse gain MD which use dum my sphere to represent groups and acce lerate the simulation dra matically (24 core workstation can even achieve up to several microsecond/day ). The demerit for those methods are also obvious: we gain w hat we paid. 3. Top ology for Ligand T his is always a head ache problem for many people in MD simulation. In Desmond, ligand to pology can be recognized automatically with OPLS_2005 FF. H owe ver, OPLS_2005 is only go od e nough for t ens of ns MD simulation, it is rather poor if su b mit to micro se cond MD. If we would like to use CHARMM36 FF for protein/membrane system bound with ligand, we can generate to pol ogy from S wissparam (http://swissparam.ch/) and convert them into Desmond Viparr format by script from Desmond 2012 ($SCHRO DINGER/desmond-v31023/data/viparr/converters ). This tool sometimes doesn't work well, it is said that it can be full y supported by D esmond in the next version of Desmond which would be released at the beginning of next year . What's n eed to mention is that CHARMM C G FF is also reachable in Des mond 2012 ($SCHRODING ER/desmond-v31023/data/viparr/ff/cgenff_base_v2b7 ), one can build manually with those molecul ar templates if the target on e is not so complicated. CHARMM CG FF also could be obtained from (https://www.paramchem.org/). If the ligand structure is not so complicated, it may work well. H owever, it some time s may not re cognize ligand bond order and so on correctly. In this way, one have to go to CHARMM forum for helps. Amber GAFF is definitely ext re mely at tractive and the primary choice for a ligand bound system. When the latest LIPID 11 FF in Amber 12 come out, Ambe r should be the first choic e for many people especially those work with ligand. 4. Efficiency Alt hough the hardware of compu ter deve lop s so fast nowada ys that CPU update one generation almost each year, the e ffici ency of MD simulations seems don't imp rove so much these days. F or instan ce: no matter how many CPU we use , for a typical mem brane protein simulation (13 2 lipids, 300aa protein, 50,000 at oms in all ) with full atom FF and typical cutoff (9-10) with PME: Gromacs can get up to 2 0 ns/day (double precision), Amber 12 ns/day, NAMD 4ns/day. Desmond is an exception since the parralization is much more superior tha n any other MD tools, it can up to 100 ns/day with 512 CPU. I t can even up to several microseco nd /day in A nton with full atom FF. It woul d be a wise option to use either D esmond or Gromacs , if one would like to run hundre ds of ns with full atom FF. Of course, it is also accepta ble for Amber and NAMD CPU performance if the simulation on ly last for tens of ns. GPU technology is developing quite fast in recent one or two years and it also bring exc iting news for computational work especially NVIDIA CUDA accel erations. F or instance, with two GTX590, A mber 12 can get up to 20ns/day while 24 core i7 3.6 GH z CPU can only get 4ns/day ( with intel com piler , gnu is even m uch slower). NAMD on the other hand, can get 5ns/day with CUDA acc eleration w hile 24 core i7 3.6 GHz CPU can only get 0.5 ns/day. C urrently, GPU calculation is not supported in Desmond, but this feature is e x pected to be available in next version.
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鼻子里的孤儿
热度 4 Lewind 2012-4-12 13:20
(本文系科学松鼠会“孤独专题”稿件,已发表于科学松鼠会群博。) 细胞表面的探测器   人们常常惊叹于大脑的神奇。然而,即便是最聪慧的头脑,如果不能从外界获取任何信息,也同样无法做出有价值的思考。真正让我们头脑内的意识与外面的物质世界相联系的,是我们的感官。   眼可视、舌可尝、鼻可嗅。这是妇孺皆知的常识。还有相当多的人知道,具体实现这些功能的是视网膜上的视细胞、味蕾表面的味觉细胞,以及鼻粘膜上的嗅细胞。可如果再深入探究的话,究竟这些细胞有什么特别之处能让它们成为身体的探测器呢?   其实,这些感官细胞与身体里的其它细胞相比,最特别的地方不在于形态或基因,而在于一种分布在细胞膜上的特殊蛋白质,统称为GPCR(G蛋白耦连受体,G protein-coupled receptor)。它们就是感官细胞表面直接接受外界信号的探测器。   嗅细胞表面的GPCR与气味分子结合之后,它的形态就会发生改变,科学家称之为构象变化(conformational change)。举个不一定恰当的例子,我们的口腔空间可以有很多种不同的形状,但如果在嘴里塞上一块很大的蛋糕,口腔改变形状的余地就很小了。GPCR就是一种柔性极强的蛋白质,而与气味分子的结合恰好能在一定程度上改变并限制GPCR的形态。 【小分子与GPCR的结合】   味觉相关的GPCR工作原理与此类似。视觉相关的GPCR工作原理要稍微复杂一点。光线并不能直接让蛋白质改变形态,但可以激发某种小分子的化学变化。视觉GPCR结合了这种光敏小分子,而这种小分子的化学变化最终还是会引发GPCR的形态变化,殊途同归。   值得一提的是,这种与视觉GPCR结合的重要小分子是由维生素A稍加修饰得到的,而维生素A基本就是半个胡萝卜素。看,胡萝卜素几乎是我们能够看到光线的决定因素。当然,还有很多其它蔬菜也含有胡萝卜素,只是没有胡萝卜含量这么高罢了。 刚柔并济的GPCR   你或许会问:GPCR的形状变化就能让我们闻到气味、尝到味道、看到光线吗?的确,故事还没有讲完。   传说中,女娲以七彩石补天,才有了我们的生存空间。倘若你能缩小到细胞里面向外观望的话,你看到的细胞膜上的GPCR也会是七块补丁。绝大多数GPCR都有七根像柱子一样穿过细胞膜的螺旋状结构。因此,七次跨膜是这类GPCR的统一特征。作为一个穿膜而过的蛋白质,GPCR有位于细胞外的部分,也有位于细胞内的部分。气味分子改变的正是嗅觉GPCR胞外部分的形态。   凡事都有两面性。GPCR结合小分子的过程体现了它的柔性,而它也有刚性的一面。GPCR穿膜而过的七根螺旋柱就是相对比较结实的结构,不易发生形变。当气味小分子钻进七根螺旋柱之间的时候,这种力量会导致GPCR在细胞内的部分也发生形态变化,正所谓“牵一发而动全身”。 【GPCR穿过细胞膜的7根螺旋】   GPCR在细胞内的部分平常结合着一种叫做G蛋白的蛋白质,GPCR的名字也是由此而来。当GPCR的形态发生改变之后,就失去了与G蛋白的结合能力。由此释放出来的G蛋白又会触发细胞内一系列的生化反应。最终,这个细胞就会引发相应的神经电信号,让我们的大脑知道自己闻到了这种气味。   虽然科学家对GPCR形态改变的过程有个大概的了解,但并不知道其中的细节。直到去年夏天,在太湖之滨的古城苏州,由美国著名的冷泉港实验室主办的冷泉港亚洲会议上,GPCR研究领域的领军人物Brian Kobilka以会议报告的形式首次宣布,他的研究组获得了GPCR结合G蛋白的三维结构。人类第一次“看”到了两者是如何相互作用的。 384种气味   对于GPCR这种探测器蛋白来说,准确性是最为重要的。假如你鼻子里的某些嗅觉GPCR既能与芳香烃结合,又能与硫化物结合,那么你很可能会把一个臭屁当成是花香。   在生物学上,接受其它分子的蛋白质被称为受体,而被接受的分子则被称为配体,两者之间准确的一对一关系被称为特异性。显然,GPCR有着相当高的特异性,保证我们不会把苦的当成甜的,也不会把臭的当成香的。   由于GPCR存在这种特异性,所以我们所拥有的嗅觉GPCR的种类就决定了我们能够闻到的气味种类。就目前的研究来看,人类拥有384种有功能的嗅觉GPCR。也就是说,我们大脑从鼻子接收到的嗅觉信号不会超过384种。你会不会觉得太少?的确,我们在这一点上比其它哺乳动物同类差了太多。实验室里的小白鼠就拥有1194种嗅觉GPCR,远远超过了我们人类。   哺乳动物之所以拥有出色的嗅觉,是因为哺乳动物的祖先最早生活在爬行动物称霸的世界,只能趁着晚上冷血动物体温降低的时候出来活动。在视觉无法发挥作用的黑夜,敏锐的嗅觉更有助于捕猎或逃脱猎捕。   当然,嗅觉的好坏并不完全取决于GPCR的种类。比如鼻粘膜的浸润程度也是个关键因素。越湿的鼻粘膜越能溶解更多的气味分子,提高嗅觉GPCR与气味分子结合的机率。况且,我们对周遭世界的感受并不是探测器的原始信号那么简单,还有大量由神经系统完成的加工与整理。所以我们实际能闻到的气味数目似乎远远多于几百种。   此外,嗅觉是可以训练的,比如香水公司雇佣的职业调香师都经过长时间的专业训练,嗅觉强于普通人。嗅觉也可能随着身体状态而发生改变,比如孕妇就有着比平时更敏锐的嗅觉。这大概能带来一些进化上的优势:在行动不便的情况下,更早发现敌人也就能更早逃脱。 【健康的狗鼻子总是湿润的】 没有配体的孤儿   你一定很想知道,人类到底能闻到哪384种气味分子?遗憾的是,科学家们也无法回答这个问题。目前只有不到10%的嗅觉GPCR的配体是明确知道的。对于剩下的那90%配体未知的嗅觉GPCR,科学家给它们起了个很有爱的名字:孤儿受体(orphan receptor)。而寻找它们配体的过程则被称为“脱孤”(deorphanization)。   实际上,孤儿受体并不是嗅觉GPCR所独有的现象,因为GPCR不仅仅只是感官探测器而已。除了视觉、味觉和嗅觉GPCR以外,在我们身体中很多其它细胞的表面也存在着GPCR。不过,这些GPCR的配体不再是来自外界的分子,而是来自我们体内的分子,比如大大小小的各种激素。然而,对于相当一部分GPCR,我们并不知道它们所接受的激素是什么。   从GPCR最初被人类所认识开始,孤儿受体就如影随形地相伴左右。1986年,科学家第一次发现了GPCR蛋白。最早被发现的是视觉GPCR,以及β肾上腺素受体。后者是我们的身体能够对肾上腺素做出迅即反应的根源之一。   此后于1987年被发现的第三种GPCR就是一种孤儿受体。不过仅仅过了一年,科学家们就找到了它的配体——5-羟色胺。如果你喜欢读心理学的科普文章,应该对这个奇怪的名字不陌生。在我们的神经系统中,5-羟色胺扮演着重要的角色。   随着上个世纪末人类进入了基因组时代,通过基因分析发现了大批的GPCR,却无法知道它们的配体,也就诞生了更多的孤儿受体。这其中就包括我们鼻子里的那三百多种嗅觉孤儿受体。 艰难脱孤路   相较之下,脱孤之路却是漫漫无期。从5-羟色胺之后,下一种成功脱孤的GPCR等待了七年之久。为了纪念脱孤的不易,这种新发现的配体干脆直接被命名为孤儿素。   为什么脱孤之路如此艰难呢?主要还是因为我们身体中的化学物质太多太复杂了。除了多肽、核酸、蛋白这些生物大分子,还存在着各种各样的有机或无机小分子。如果要找到与某种蛋白质相互结合的另一种蛋白质,科学家还有些办法,比如免疫共沉淀或者酵母双杂交。但如果要找到与某种蛋白质相互结合的小分子,科学家就真没有什么太好的办法了。更何况,我们甚至还不知道人体内所存在的全部小分子的种类。   对于嗅觉GPCR来说,事情变得更麻烦了。体内GPCR的配体至少还是身体内的物质,总算有个范围。嗅觉GPCR的配体则来自大自然,寻找起来更是无从下手。如果说寻找体内GPCR的配体就像是在游泳池里捞针,那么寻找嗅觉GPCR的配体则是真正的大海里捞针了。   不过,给孤儿受体脱孤也并不是死路一条。虽然没有一条捷径,但总还是有笨办法,那就是大面积排查。如此一来,就需要投入更多的人力、物力、财力,不是科研机构所能够负担的了。   好在,制药公司适时地加入了这场躲猫猫的游戏。随着1996年以后各大制药公司财大气粗的投入,孤儿受体脱孤的研究也正式进入了工业化的轨道,大大提高了速度。到目前为止,除了感官GPCR以外,我们体内的400余种非感官GPCR中,已经有多一半找到了相应的配体。 G联盟   制药公司为什么会对GPCR如此感兴趣呢?那是因为,在我们所吃的西药当中,相当一部分是给GPCR“吃”的。   对细胞稍有了解的人都知道,细胞膜是一道非常奇妙的屏障。一般的化合物很难穿透过去,包括各种药物在内。所以,很多的药物其实是结合于细胞表面的蛋白上来发挥作用。这些与药物结合的蛋白质被称为药物靶点,简称药靶。   GPCR是药靶之中最为重要的一大类。有些药物结合GPCR之后,细胞就得到了一个虚假信号,误以为GPCR结合到了相应的配体。我们称这种药物为激动剂。还有一些药物能够与GPCR紧紧结合在一起,阻挡真正的配体与GPCR结合,被称为拮抗剂。 【阻断β肾上腺素受体的心血管药物比索洛尔】   根据2006年的一项统计,市场上销售的超过两万种药物中,45%是作用于某种GPCR上。在华尔街评选出来的最具商业价值的20种药物当中,有12种是与GPCR结合的。比如前面提到过的β肾上腺素受体,能够阻断它结合肾上腺素的拮抗剂药物有四五种,年销售额总计高达200亿美元。   GPCR在制药公司眼中的重要性,由此可见一斑。每一家制药公司都希望能找到下一个可以大赚特赚的超级药物,GPCR无疑是最值得重视的药靶,而GPCR中的孤儿受体又无疑是GPCR中的处女地。谁能够率先为某种孤儿受体脱孤,谁就有更大的机会开发出以之为基础的新药。   中国在电子时代没能在世界上占据先机,那么生物时代呢?至少在GPCR相关的医药研发中,我们已经行动起来了。去年,国家专注于基础科技发展的“973”计划新确立了两个与GPCR相关的项目。其中之一的主要目标就是为GPCR中的孤儿受体脱孤。   受这个两个项目的带动,更多的资本和制药企业也投入进来,与研究机构共同组成了中国自己的GPCR研究及产业化体系——“国家级GPCR新药创制联盟”,简称“G联盟”。就在几天前,在太湖之滨的另一座美丽城市无锡,G联盟召开了启动会议,正式宣告成立。或许,让我们的身体里不再有孤儿受体的日子已经不远了。
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偶像来了
热度 18 nyouyou 2012-4-9 13:49
其实吧,我没有真正意义上的偶像。一向信奉众生平等的鄙人既不真的崇拜谁,也不愿意做任何人的呕吐对象 (说到这,我也对某些人非要把我定义为“公众人物”极其反感。凭什么呀?我的工作属于基础研究,本来就不是面向大众的。对我工作的评价也只有同行作出的俺才重视。我又不靠什么“粉丝数”“媒体曝光率”或者“获...奖”“当选...人物”作为衡量自己是否成功的标准。别人给的,都是浮云。自己踏踏实实做出来的,才是自己的、握在手里实实在在、能让自己堂堂正正站着说话不腰疼的。所以啊,谁爱公众谁公众,别给我戴这顶帽子。哦,扯到十万八千里远了) 不过,我还是愿意在口头上叫嚣着“偶像”,以抒发我对伊发自内心的欣赏与尊敬。我的偶像也一直在变换着,比如某位偶像因为回国以后的工作强度让我从敬佩到头疼,咬牙切齿绝不步其后尘,毅然从偶像名单赶走;还有一位偶像,因为某些非专业的不适当批评,大失其分,也暂时丢掉了偶像的交椅。。。哦,又扯远了。 dang~dang~dang~dang,偶像出场。 第一位,是我从2002年就开始“崇拜”的。只为当时去BNL同步辐射做实验,看到墙上的poster里那位有着“川字”皱纹的帅大叔正是偶们老板前一年9.13说过的“我昨天去U Mich,和他一起给talk,他讲得好极了!我邀请他来Princeton做报告,不过他推辞了,因为他尽量压缩外出开会作报告的次数,而把时间尽可能花在实验室。”我必须承认,“ 把时间尽可能花在实验室里 ”这句话对我影响至今。当年还一度考虑去这位偶像那里做博后,机缘巧合,未能实现。终于去年,有了机会梦想成真。那种开心劲,基本上就是你可以和自己的偶像乐队同台表演的感觉啦(某人,说你呢 )。偶像是谁,猜出来了吧? 第二位,是2010年参加一次GRC一下子“中招”的。他的报告作为压轴大戏。我必须承认,我很少被有关结构生物学的talk吸引,尽管这是我的专业。而他娓娓道来,让我没走神地从头到尾听了一个小时,从此也记住了一个名字:Brian Kobilka. 欲知后事如何,且听下回分解......(下一篇博文就不是废话连篇了,而是技术贴,专门介绍GPCR和Kobilka。作为热身,请阅读 “ Cell signalling: It's all about the structure http://www.nature.com/news/2011/110824/full/476387a.html ”, 更科普的请见著名科普作家饶毅: “一个可能的诺贝尔奖” 且慢,还没点题呢--啥叫“偶像来了”? 因为Brian Kobilka将成为我的同事,受聘清华大学医学院兼职教授(哦也!)。有志于探索GPCR奥秘的同学们同事们注意啦: Kobilka教授会在清华大学建立实验室,现在正全面招收博士生、博士后、技术员......有意者,请发送个人简历至 cls@biomed.tsinghua.edu.cn 标题注明“应聘Kobilka实验室...”。 如果想了解更多,下周一(4月16日)上午8-11点在清华大学主楼后厅将有一个GPCR mini-symposium ( http://www.life.tsinghua.edu.cn/home/lecture/1957.html )。Kobilka教授去年四月和五月在清华和苏州冷泉港会议讲过两次报告,一个月之隔,竟然就是跨时代的进展;12月在夏威夷的GPCR workshop上又讲了全新的进展;而今年,他又会有什么惊喜带给我们呢?拭目以待!(我会做广告吧 ) 而对于有志于加入Kobilka实验室的同学来说更重要的可能是 周一下午2:00-4:30在清华大学医学院B323会议室 举行的Kobilka实验室成员报告会,会详细介绍Kobilka实验室的情况,并回答各类问题 偶像来喽!
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Kobilka做出了GPCR与G蛋白的复合物结构!!!
热度 3 Lewind 2011-5-19 18:03
  我刚刚听到了本次学术会议最令人惊叹,不,我所有参加过的学术会议中最令人惊叹的成果:Stanford的Brian Kobilka解出了GPCR与G蛋白的复合物结构!!!   这是在苏州召开的“冷泉港亚洲会议”,本周的议题是“膜蛋白的结构与功能”。Kobilka在刚刚的Keynote报告中一路轻描淡写地讲着GPCR,却突然抛出了重磅炸弹:他解出了GPCR与G蛋白的复合物结构!   众所周知,GPCR的结构难做,除了它是膜蛋白,还因为它有多种不同的构象状态。别人觉得这个复合物是天方夜潭,Kobilka却能做出来,这里面的关键技术很多。当然,他都用“我们试了很多”搪塞过去了。但有一样是在明面上的,Kobilka使用了不同的激动剂,这可能是问题的关键所在。   我更钦佩的是Hobilka的气度。所谓“同行是冤家”。大家也知道,一般的学术会议上都不会讲自己的最新成果。可是Kobilka敢讲,说明他知道自己的工作是绝对领先的!名家啊!
个人分类: 科学科学|5878 次阅读|2 个评论

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