在酵母細胞中恢復人類細胞表面蛋白的功能

來源：作者：人氣：-發表時間：2023-10-23 12:56:00【大中小】

摘要：日本研究人員開發了一種創新策略，通過誘導隨機突變來恢復酵母細胞中GPCR的功能。

G蛋白偶聯受體(gpcr)是人類細胞表面蛋白中最大和最多樣化的一類。這些受體可以被視為“交通指揮”，將信號從外部傳遞到細胞內部，并參與許多生理過程。鑒于它們在細胞通訊、細胞生長、免疫反應和感覺知覺中的重要作用，許多針對gpcr的藥物已經被開發出來，用于治療哮喘、過敏、抑郁癥、高血壓和心臟病等疾病。事實上，目前有超過300種與GPCR相關的藥物處于臨床試驗階段，其中36%的藥物針對60多種新的GPCR靶點，而不是已經批準的藥物。此外，靶向gpcr的藥物占全球治療藥物市場份額的27%，2011年至2015年期間總銷售額接近8900億美元。因此，任何能夠加速gpcr研究的技術都可能引發巨大的連鎖反應，最終為數百萬人帶來更有效的治療方法。

如今，諸如低溫電子顯微鏡、光遺傳學、計算方法和人工智能、生物傳感器和無標簽技術以及單細胞技術等方法正在被用于GPCR藥物的發現和開發。其中，基于酵母的單細胞方法是研究gpcr最有用的平臺之一。除了在啤酒和面包制作中的廣泛應用外，釀酒酵母作為宿主研究人源性gpcr也有很長的歷史。雖然一些gpcr可以被改造以增強其穩定性和功能，以方便實驗，但大多數gpcr在酵母細胞中不能很好地發揮作用。這個長期存在的問題大大減緩了我們對gpcr的理解和針對它們的新藥開發的進展。

在這種背景下，日本東京理工大學(TUS)的研究小組最近提出了一種創新策略，可以恢復釀酒葡萄球菌(S. cerevisiae)中人源性GPCR人組胺3 (H3R)的活性。他們的研究發表在2023年9月26日的《科學報告》第13卷上，由Mitsunori Shiroishi副教授領導，由Ayami Watanabe女士和Ami Nakajima女士共同撰寫，均來自美國。

圖1 通過易錯PCR和體內篩選恢復酵母細胞喪失的組胺H3受體活性

“H3R主要在神經系統中表達。它涉及認知功能，它的抑制與各種疾病的治療結果有關，如多動癥、精神分裂癥、阿爾茨海默病和發作性睡病，”Shiroishi博士解釋說。通過初步實驗，該團隊表明，H3R在酵母中表達時變得無功能。

為了恢復其功能，研究小組利用了一種稱為易出錯聚合酶鏈反應的技術，在H3R基因中引入隨機突變。在產生了一個隨機的H3R突變文庫之后，他們將修飾過的DNA片段引入酵母細胞，并在H3R激動劑的存在下培養它們。H3R激動劑是一種與H3R結合并引發可測量反應的化合物。通過多次培養篩選，研究人員獲得了四個恢復正常H3R活性的突變體。這些突變體只對一種含有某些g嵌合體蛋白的酵母菌株產生反應。負責恢復活性的突變位于對GPCR激活重要的氨基酸序列基序附近。

圖2 全長H3R（FL）和缺失I3L的H3R（i3d）在釀酒酵母YB1菌株中的表達

這種研究gpcr的創新方法可能具有深遠的意義，特別是在醫學和細胞生物學領域。“我們的研究可以幫助闡明gpcr的功能，甚至可能導致副作用更少的藥物的開發，以及支持目前尚無治療方法的疾病的藥物發現，”Shiroishi博士說。目前正在積極開發以gpcr為靶點的藥物的許多治療領域，包括阿爾茨海默氏癥和精神分裂癥等神經系統疾病、高血壓和心力衰竭等心血管疾病、各種類型的癌癥和代謝紊亂。

更深入地了解GPCR變異及其對個體的不同影響，也可能帶來個性化醫療的新方法。根據個體的基因組成和特定的疾病特征定制gpcr靶向藥物可能會大大改善治療效果。此外，在世界范圍內為大量人群提供非專利GPCR治療也可能成為現實，這將減輕衛生保健系統的負擔。

我們確信，這項研究的結果將為每個人的健康未來鋪平道路。

參考資料

[1] Recovery of the histamine H3 receptor activity lost in yeast cells through error-prone PCR and in vivo selection