浙大冷冻电镜中心解析出第一个蛋白质原子分辨率结构
辗转反侧睡不着的夜晚，你的大脑可能处于异常兴奋的状态。科学家说，这与大脑中一种叫gaba的神经递质有关，它们负责在神经系统中“踩刹车”，对调节大脑的兴奋性至关重要。浙江大学的科学家通过单颗粒冷冻电镜技术，第一次对人脑中的“刹车”——gabaa受体进行原子分辨率的解析，得到了一种处于开放状态的gabaa受体三维结构。
2018年8月23日，cell research杂志在线发表了浙江大学生命科学研究院叶升实验室、浙江大学冷冻电镜研究中心的合作研究论文，浙江大学博士生刘斯、徐令怡、关凤慧为共同第一作者。叶升教授、冷冻电镜中心副教授张小康、加州大学洛杉矶分校教授周正洪为共同通讯作者。
这是浙江大学冷冻电镜中心自2017年成立以来解析的第一个以单颗粒冷冻电镜技术得到的蛋白质原子分辨率结构。审稿人认为，这项研究是后续对gabaa受体开展生物学和药理学研究的基础，将为药物开发和临床治疗提供重要信息。
焦虑与“刹车”
gaba（g-氨基丁酸）是哺乳动物中枢神经系统一种重要的抑制性神经递质。它们调节作用在于让神经功能免于过度兴奋或者过于敏感。它们就像一位“踩刹车”的信使，负责向神经元传递“放轻松”、或者“停下来”的指令。
人脑中有30%的神经元能够被gaba结合，神经元接收gaba的蛋白就是gabaa受体，也就是那个“刹车”。“‘刹车’作用可以分为两类，一种是相位性调节，只有开或者关两种类型；一种是紧张性调节，是调节神经对于外界刺激的敏感程度。我们这次研究的是第二种gabaa受体。”叶升说。
gaba保障着神经活动的稳态。如果大脑中的“刹车”出了问题，就会引发失眠、焦虑、抑郁等一系列神经问题。在一定程度上，gaba保护了我们的大脑被“烧”坏。还有科学研究表明，gabaa受体还与学习、记忆等认知活动高度相关。
图：作用在gabaa受体上的一些重要化合物
你可能很快联想到，“刹车”可以作为药物靶点。修好了“刹车”，gaba就能通畅的行驶职能。然而，情况复杂的多，许多药物，包括抗抑郁症药物、麻醉药物、催眠药物，甚至致幻药物（毒品）都是通过作用于相关gabaa受体来产生相应的作用，然而，这些药物产生相应作用的细节至今都不清楚。比如，广谱性抗抑郁药苯二卓类药物，是通过加强gaba对gabaa受体的作用，从而中度抑制神经元敏感性，来消除患者的焦虑。而许多麻醉剂，如异丙酚（propofol）、安氟醚（enflurane）、依托咪酯（etomidate）等，能够直接导致gabaa受体的开放从而引起更强的抑制作用，导致全身麻醉。最神奇的是致幻药物。
“我们希望在原子分辨的层面解析gabaa受体的三维结构，理解药物作用的微观过程，目的为下一步研发更为安全的靶向药物提供理论基础。”叶升说。
给“刹车”画像
a5b3 gabaa受体的主视和俯视图、复合物组装模式、gaba与受体相互作用图、以及与脱敏状态（左）相对应的开放状态（右）通道剖面图。
gabaa受体是在一次偶然中被发现的，当时，人们偶然发现苯二氮卓具有镇静催眠的作用。科学家顺藤摸瓜，找到了这个“刹车”就是gabaa受体，它是一个氯离子通道，通过开关离子通道来发挥功能。但是发现20多年来，关于如何gaba如何选择性结合到受体，如何让受体“开门”等机制，依然不清楚。
gaba究竟是如何“踩刹车”的呢？“我们目前知道，组成gabaa的亚基有19种，有很多种排列组合方式，但人们对此知之甚少。”叶升说。
诞生于2013年的冷冻电镜技术，是人类理解生命现象的“神助攻”。它能在原子级的分辨率下观察蛋白的结构。蛋白的结构千变万化，也深刻决定着它的功能与活性。“有了结构生物学的加入，有了冷冻电镜技术，我们就能真正眼见为实的看到生命的原子结构，并分析它的功能。”叶升说，这也是药物研发的生物学基础。
“刹车”的模样
在冷冻电镜中心，科研人员将纯化的人源gabaa受体滴在特制的铜网上，并快速冷却到零下190度附近。“‘速冻’下的蛋白是最接近原生的生理状态的。”张小康说，速冻的过程不会形成冰晶，因此不会破坏蛋白结构，使人们能够在电镜下清晰地看到一个个蛋白。通过多个蛋白图像的叠加处理，高分辨信息提取，科学家得以看到更为丰富的细节，并通过计算机最终绘制出gabaa受体分辨率为3.5埃（1埃=0.1纳米）的三维原子结构。
“我们看到了组成gabaa受体的大多数氨基酸的侧链，从而能区分不同的亚基。我们还标出了每个原子的x,y,z轴坐标信息。”叶升说。
每个gabaa受体都由5个亚基组成，一个α5亚基和4个β3亚基。俯视图看，它像一个镜头的光圈。gaba结合在受体上时，像一把钥匙打开了中央的孔道，氯离子得以经过通道，神经信号因此进一步传递。
“我们解析到的正好是受体处于激活、开放状态的那‘一帧画面’。”张小康说，这是研究gaba激活机制的理想模型。
据了解，今年6月到目前为止，全球共有四个实验室报道了四种不同的gabaa受体的三维结构，分别为英国牛津大学，美国西南医学中心、俄勒冈健康中心和浙江大学。gabaa受体结构的解析，为进一步开展药物和gabaa受体之间的相互作用，开发更有效、更安全的药物，打下了坚实的基础。
或许，在未来的某一天，在你辗转反侧无法入睡的时刻，可以吞下一颗药丸，药物定向作用到gabaa受体，让大脑中的“刹车”恢复正常工作。你也安然入睡，且没有任何副作用。
该项研究受到了科技部重大科学研究计划、国家自然科学基金委杰出青年基金项目、重点基金和面上项目的资助。
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延伸：gabaa受体与致幻剂
古代西伯利亚地区的萨满教巫师会在举行祭祀活动时食用一种表面鲜红并有白、黄色颗粒状鳞片的蘑菇来通灵，这种蘑菇叫做毒蝇伞（amanita muscaria），遍布全球，在针叶和阔叶林中都能找到，一般成人食用一朵之后便会引起幻觉和感到灵魂出窍。中世纪的维京战士据说在战前会食用毒蝇伞，或者给驯鹿喂食毒蝇伞再饮用驯鹿的尿液，这样，维京战士在战场上感觉不到疼痛，无所畏惧，癫狂吓人。美国真菌学家罗伯特·高登·华生曾亲口尝试毒蝇伞，他是这样写下自己的感受的：在这种半睡状态下，出现色彩的幻觉。睡醒后情绪激昂，兴奋状态可持续3至4小时。这时感觉自己的力量增强，很重的东西也可以轻松地举起。毒蝇伞的幻觉毒性效果主要来自于蝇蕈醇（muscimol），有意思的是蝇蕈醇是gabaa受体的激动剂，能够结合在gabaa受体的gaba结合位点。为什么一个结合在gaba位点的药物能够致幻，至今仍然是一个谜。更有意思的是，1977年，丹麦lundbeck公司化学家根据蝇蕈醇的化学结构合成了一系列类似物，其中一个化合物，加波沙朵（gaboxadol），同样结合在gabaa受体的gaba结合位点，然而临床发现具有催眠作用，同时不产生依赖性，不会被滥用。2016年，lundbeck公司更是启动了加波沙朵作为angelman 综合征（angelman syndrome）和脆性x染色体综合征（fragile x syndrome），两种罕见神经系统疾病的二期临床实验。
