科学家们开发了两种对睡眠和其他生物过程至关重要的褪黑激素受体图谱

一个国际研究团队在能源部的SLAC国家加速器实验室使用X射线激光器创建了两个褪黑素受体的第一个详细地图，这些受体告诉我们的身体什么时候入睡或醒来并指导其他生物过程。更好地了解它们的工作原理可以使研究人员设计出更好的药物来对抗睡眠障碍，癌症和2型糖尿病。他们的研究结果在两篇论文今天发表在自然。

由南加州大学领导的研究小组使用来自SLAC的Linac相干光源(LCLS)的X射线来绘制受体，MT1和MT2，它们与四种不同的化合物结合，这些化合物激活受体：一种失眠药物，一种药物，将褪黑激素与抗抑郁药血清素和两种褪黑激素类似物混合。

他们发现两种褪黑激素受体都含有嵌入我们体内细胞脂肪膜的狭窄通道。这些通道只允许褪黑激素 - 可以存在于水和脂肪中 - 通过，阻断血清素，血清素具有相似的结构，但只在水环境中幸福。尽管两种受体之间存在结构相似性，但他们还发现了一些更大的化合物如何仅靶向MT1而不是MT2。这应该告知设计选择性靶向MT1的药物，这是迄今为止具有挑战性的。

这些受体在人体中发挥着极其重要的作用，并且是制药工业高度关注的主要药物靶标。通过这项工作，我们能够非常详细地了解褪黑激素如何与这些受体结合。“

Linda Johansson，USC的博士后学者，负责MT2的结构工作

该睡了

人们这样做，鸟类做，鱼做。几乎动物王国中的所有生物都在睡觉，这是有充分理由的。

对于大脑来说，休息，处理和存储我们在白天积累的记忆至关重要。褪黑激素是调节我们睡眠 - 觉醒周期的激素。当有光时，褪黑激素的产生受到抑制，但当黑暗来临时，这是我们大脑进入睡眠状态的信号。“

共同作者，SLAC的科学家Alex Batyuk

褪黑激素受体属于称为G蛋白偶联受体(GPCR)的一组膜受体，其调节人体中几乎所有的生理和感觉过程。MT1和MT2存在于全身许多地方，包括大脑，视网膜，心血管系统，肝脏，肾脏，脾脏和肠道。

这些受体监督我们的时钟基因，身体内部时钟的计时器或昼夜节律。在完美的世界中，我们的内部时钟将与太阳的升起和设置同步。但是当人们跨越时区旅行，过夜工作或在屏幕或其他人工蓝光源前花费太多时间时，这些计时员会被抛弃。

控制节奏

当我们的昼夜节律被破坏时，它可能导致许多下游症状，增加患癌症，2型糖尿病和情绪障碍的风险。MT1尤其在控制这些节律中起重要作用，但设计能够选择性靶向该受体的药物已证明是困难的。许多人服用非处方褪黑素补充剂来对抗睡眠问题或改变他们的昼夜节律，但这些药物的效果常常会在数小时内消失。

通过破解这些受体的蓝图并绘制配体如何结合并激活它们，研究人员为其他人设计了更安全，更有效且能够选择性靶向每种受体的药物。

收获水晶

“自从60年前发现褪黑激素以来，已经有许多具有里程碑意义的发现导致了这一时刻，”纽约州立大学布法罗分校药理学和毒理学杰出教授Margarita L. Dubocovich说，他开创了功能性褪黑激素受体的鉴定方法。在80年代早期，并为这项研究提供了一个外部视角。“尽管取得了显着进展，我的团队和世界各地的研究人员仍然难以发现选择性MT1药物。阐明MT1和MT2受体的晶体结构开辟了令人兴奋的新章节，用于开发治疗睡眠或昼夜节律紊乱的药物，这些疾病已知导致精神病，新陈代谢，肿瘤和许多其他疾病。

为了映射像蛋白质这样的生物分子，研究人员经常使用一种称为X射线晶体学的方法，从这些蛋白质的结晶形式散射X射线，并使用这种模式来获得三维结构。到目前为止，绘制MT1，MT2和类似受体的挑战是生长足够大的晶体以获得高分辨率结构的难度。

有了这些褪黑激素受体，我们真的不得不加倍努力。许多人试图在没有成功的情况下结晶它们，所以我们必须有点创造性。“

南加州大学的科学家Benjamin Stauch领导了MT1的结构工作

这项研究的一个关键部分是研究人员用来生长晶体并从中收集X射线衍射数据的独特方法。对于这项研究，该团队在昆虫细胞中表达了这些受体，并使用洗涤剂将其提取出来。他们突变这些受体以稳定它们，从而实现结晶。在纯化受体后，它们将它们置于膜状凝胶中，其直接从膜环境支持晶体生长。在获得悬浮在该凝胶中的微晶之后，他们使用特殊的注射器来产生窄的晶体流，它们用来自LCLS的X射线切割。

由于晶体尺寸很小，这项工作只能在LCLS上完成。这种小晶体在同步加速器源处不能很好地衍射，因为它们很快受到辐射损害。X射线激光器可以通过“衍射前破坏”原理克服辐射损伤问题。“

Vadim Cherezov，USC教授，负责监督这两项研究

研究人员收集了数十万张散射X射线图像，以确定这些受体的三维结构。他们还测试了数十种突变的影响，以加深他们对受体如何工作的理解。

除了在受体中发现微小的门控褪黑激素通道外，研究人员还能够将2型糖尿病相关突变定位到MT2受体上，这是第一次看到这些突变在受体中的确切位置。

奠定基础

在这些实验中，研究人员只研究了激活受体的化合物，称为激动剂。为了跟进，他们希望能够映射与拮抗剂结合的受体，这些受体阻断受体。他们还希望利用他们的技术来研究体内其他GPCR受体。

“作为一名结构生物学家，第一次看到这些受体的结构并分析它们以了解这些受体如何选择性地识别它们的信号分子是令人兴奋的，”Cherezov说。“我们已经了解它们几十年，但直到现在还没有人能说出它们的实际外观。现在我们可以对它们进行分析，以了解它们如何识别特定分子，我们希望这些分子为更好，更有效的药物奠定基础。“