在酵母细胞中恢复人类细胞表面蛋白的功能

来源：作者：人气：-发表时间：2023-10-23 12:56:00【大中小】

摘要：日本研究人员开发了一种创新策略，通过诱导随机突变来恢复酵母细胞中GPCR的功能。

G蛋白偶联受体(gpcr)是人类细胞表面蛋白中最大和最多样化的一类。这些受体可以被视为“交通指挥”，将信号从外部传递到细胞内部，并参与许多生理过程。鉴于它们在细胞通讯、细胞生长、免疫反应和感觉知觉中的重要作用，许多针对gpcr的药物已经被开发出来，用于治疗哮喘、过敏、抑郁症、高血压和心脏病等疾病。事实上，目前有超过300种与GPCR相关的药物处于临床试验阶段，其中36%的药物针对60多种新的GPCR靶点，而不是已经批准的药物。此外，靶向gpcr的药物占全球治疗药物市场份额的27%，2011年至2015年期间总销售额接近8900亿美元。因此，任何能够加速gpcr研究的技术都可能引发巨大的连锁反应，最终为数百万人带来更有效的治疗方法。

如今，诸如低温电子显微镜、光遗传学、计算方法和人工智能、生物传感器和无标签技术以及单细胞技术等方法正在被用于GPCR药物的发现和开发。其中，基于酵母的单细胞方法是研究gpcr最有用的平台之一。除了在啤酒和面包制作中的广泛应用外，酿酒酵母作为宿主研究人源性gpcr也有很长的历史。虽然一些gpcr可以被改造以增强其稳定性和功能，以方便实验，但大多数gpcr在酵母细胞中不能很好地发挥作用。这个长期存在的问题大大减缓了我们对gpcr的理解和针对它们的新药开发的进展。

在这种背景下，日本东京理工大学(TUS)的研究小组最近提出了一种创新策略，可以恢复酿酒葡萄球菌(S. cerevisiae)中人源性GPCR人组胺3 (H3R)的活性。他们的研究发表在2023年9月26日的《科学报告》第13卷上，由Mitsunori Shiroishi副教授领导，由Ayami Watanabe女士和Ami Nakajima女士共同撰写，均来自美国。

图1 通过易错PCR和体内筛选恢复酵母细胞丧失的组胺H3受体活性

“H3R主要在神经系统中表达。它涉及认知功能，它的抑制与各种疾病的治疗结果有关，如多动症、精神分裂症、阿尔茨海默病和发作性睡病，”Shiroishi博士解释说。通过初步实验，该团队表明，H3R在酵母中表达时变得无功能。

为了恢复其功能，研究小组利用了一种称为易出错聚合酶链反应的技术，在H3R基因中引入随机突变。在产生了一个随机的H3R突变文库之后，他们将修饰过的DNA片段引入酵母细胞，并在H3R激动剂的存在下培养它们。H3R激动剂是一种与H3R结合并引发可测量反应的化合物。通过多次培养筛选，研究人员获得了四个恢复正常H3R活性的突变体。这些突变体只对一种含有某些g嵌合体蛋白的酵母菌株产生反应。负责恢复活性的突变位于对GPCR激活重要的氨基酸序列基序附近。

图2 全长H3R（FL）和缺失I3L的H3R（i3d）在酿酒酵母YB1菌株中的表达

这种研究gpcr的创新方法可能具有深远的意义，特别是在医学和细胞生物学领域。“我们的研究可以帮助阐明gpcr的功能，甚至可能导致副作用更少的药物的开发，以及支持目前尚无治疗方法的疾病的药物发现，”Shiroishi博士说。目前正在积极开发以gpcr为靶点的药物的许多治疗领域，包括阿尔茨海默氏症和精神分裂症等神经系统疾病、高血压和心力衰竭等心血管疾病、各种类型的癌症和代谢紊乱。

更深入地了解GPCR变异及其对个体的不同影响，也可能带来个性化医疗的新方法。根据个体的基因组成和特定的疾病特征定制gpcr靶向药物可能会大大改善治疗效果。此外，在世界范围内为大量人群提供非专利GPCR治疗也可能成为现实，这将减轻卫生保健系统的负担。

我们确信，这项研究的结果将为每个人的健康未来铺平道路。

参考资料

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