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G蛋白信號轉導的基本原理與研究

G蛋白信號轉導的基本原理與研究

                   ——一種高度靈敏的基于特異性單克隆抗體的檢測方法

 

 

 

來自細胞外的信號絕大多數都是要通過分布于細胞表面的各種受體傳導到細胞內部,從而引起細胞的生理反應,發揮相應的功能。

 

細胞表面最大的受體家族就是G蛋白偶聯的受體(G-Protein-Coupled Receptors, GPCRs)。編碼GPCR的基因有1000多個,占人類基因組總數超過2%GPCR是一種7次跨膜蛋白。人類GPCR蛋白至少有數千種。GPCR被根據序列同源性被分為3個大家族:ABC。在各個家族內部成員之間在跨膜的核心區域至少具有25%的序列同源性,并且在一些關鍵部位的氨基酸是高度保守的。

 

G蛋白偶聯受體的信號需要通過異源三聚體鳥嘌呤核苷酸結合蛋白(G-Proteins)傳遞到下游的效應蛋白(Effectors)。異源三聚體G蛋白有不同的GaGbGg亞基組成。Ga 亞基較大(~35-55 kDa),并具有鳥嘌呤核苷酸結合和水解能力。在大多數情況下,當Ga 亞基結合著鳥嘌呤二磷酸核苷酸(GDP)的時候,能夠結合一個 Gb 亞基(~35 kDa)和一個 Gg 亞基(~8 kDa)形成異源三聚體復合物。當Ga亞基結合鳥嘌呤三磷酸核苷酸(GTP)的時候,Ga 亞基便同Gbg 復合物分離,形成分別具有獨立信號傳導功能的兩個復合物。但是Ga亞基具有內在的GTP水解活性,能夠催化GTP水解為GDP,從而導致三聚體回到相對沒有活性的GDP結合狀態。多數情況下結合著GTPGa 亞基是活化的,能夠調節下游的效應蛋白的活性;而結合GDPGa 亞基只有在極少數情況下可能具有活性。

 

典型的G蛋白偶聯受體傳遞信號的基本原理是:特異性的配體結合到相應的7次跨膜的G蛋白偶聯受體(GPCR)上,引起GPCR構象的變化;構象變化之后的GPCR能夠結合相應的GDP結合狀態的三聚體G蛋白,并誘導三聚體的Ga 亞基構象發生變化,釋放結合的GDP。處于空置狀態的Ga 亞基迅速與周圍環境中的GTP結合。結合了GTPGa 亞基立即與GPCRGbg亞基復合物分離(如圖)。自由的Ga 亞基和Gbg 亞基分別與下游的效應蛋白結合,通過調控效應蛋白的活性來實現信號的轉導。Ga 亞基在同效應蛋白結合的同時或者之后,水解結合的GTP成為GDP,于是Ga 亞基在自身的調節下關閉功能,回到非活性的GDP結合狀態,并與Gbg 亞基形成三聚體,等待下一次信號轉導。三聚體G蛋白就是通過這樣的循環來實現分子信號的“開”與“關”,從而使得信號能夠得到正確有效的傳導。

 

為了表彰Martin RodbellAlfred G. Gillman對于發現和揭示三聚體G蛋白信號轉導機制的開創性工作,諾貝爾獎委員會把1994年的生理和醫學獎授予這兩位科學家。

          

GPCR結合催化三聚體G蛋白交換鳥嘌呤核苷酸示意圖。

 

 

GPCR介導的信號轉導機制的認識對于藥物研發具有非常重要的意義。但是,GPCR的結構具有相當的復雜性,以至于盡管GPCR1870年代就被發現了,但是對于其結構和工作原理的了解也只是集中于最近40多年,并且到目前對于其結構還有很多不清楚的地方。以Brian K. KobilkaRobert J. Lefkowitz為首的科學家在GPCR的研究中做出了巨大的貢獻。為了表彰他們研究成果和長期的努力,2012年諾貝爾化學獎被授予這兩位科學家。

 

除了三聚體G蛋白以外,小G蛋白也是一種具有內在GTPase活性的鳥苷酸結合蛋白。他們也能結合GTP,并將GTP水解成為GDP,實現類似于三聚體G蛋白的核苷酸循環,作為分子開關調節信號通路。與三聚體核鳥苷酸結合蛋白不同的是,他們是以單體的形式存在,并且分子量較小,大多在20-25kDa之間;他們一般不是像三聚體G蛋白那樣直接與受體結合介導來自受體的信號,而是在細胞內間接傳遞來自胞外的信號。由于最先發現的小G蛋白是Ras,因此小G蛋白家族也被稱為RAS蛋白超家族。目前已經發現了154種之多的小G蛋白。這些小G蛋白被分為RasRhoRabArfRan5個家族。小G蛋白存在于從低等的原核生物到人類之間。小G蛋白有著非常重要的生理功能。有15%的人類腫瘤都與小G蛋白的突變有關。各個家族的G蛋白細胞功能分工有所不同。Ras家族的蛋白調控基因表達;Rho家族的蛋白調控細胞骨架運動和基因表達;RabArf家族蛋白調控細胞內小體的轉運;Ran家族蛋白調控細胞周期中G1SG2期的細胞質轉運以及M期的微管的形成。

 

         圍繞GPCRG蛋白的研究的核心問題之一就是:如何能夠檢測到GPCR或者說G蛋白是否被激活?這是所有研究G蛋白的科學家都面臨的一個非常現實的問題。然而,傳統的檢測手段,例如同位素標記的核苷酸,熒光標記核苷酸,或者分光光度法,要么操作繁瑣難度大,要么靈敏度不夠,都不盡如人意。最近,NewEast Biosciences的科學家發明了一種高度靈敏的基于特異性單克隆抗體的檢測方法。該方法基于能夠特異性識別GTP結合狀態的三聚體G蛋白或者小G蛋白的單克隆抗體,利用方便快捷的試劑盒,能夠迅速檢測出G蛋白是否處于激活狀態。該方法除了具有簡單、易操作、靈敏度高等優點以外,還有一個最為吸引人的優勢:具有捕捉到被固定的細胞內的G蛋白的活化狀態的可能性。而這正是很多研究G蛋白信號轉導的科學家所夢寐以求的功能。目前,該類型試劑盒已經被100多篇高水平研究論文所引用。隨著這些檢測方法的普及,G蛋白信號轉導的研究進展必將進一步加快。

 

 

參考文獻

 

1. Gilman, AG (1987) G proteins: transducers of receptor-generated signals. Annu Rev Biochem 56, 615-649.

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           transmembrane receptors. Trends Pharmacol Sci 25, 413-422.

3. Lefkowitz RJ (2007) Seven-transmembrane receptors: something old, something new. Acta 

           Physiol 190, 9-19.

4Shoichet BK, Kobilka BK (2012) Structure-based drug screening for G-protein-coupled 

           receptors. Trends Pharmacol Sci 33(5), 268-272.

5. Ye S, Zaitseva E, Caltabiano G, Schertler GF, Sakmar TP, Deupi X, Vogel R (2010) Tracking 

           G-protein-coupled receptor activation using genetically encoded infrared probes. Nature 

          464, 1386-1389. 

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