崔宗杰
“嘎嘣脆”受体 - 可被单线态氧分子永久性激活的G蛋白偶联受体
2019-9-1 16:51
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“嘎嘣脆”受体 - 可被单线态氧分子永久性激活的G蛋白偶联受体

我们的系列研究发现,光动力作用可以永久性激活胆囊收缩素1型受体(cholecystokinin type 1 receptors, CCK1R) (Cui, Kanno, 1997; An et al., 2003; Jiang et al., 2018a)

CCK1型受体是一个典型的AG蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR)。因为CCK1型受体被II型光动力作用的激活,主要是单线态氧的光氧化反应,我们将CCK1型受体命名为可被单线氧分子激活的G蛋白偶联受体 – GPCR Activated by Singlet Oxygen,缩写为GPCR-ABSO,中文谐音为嘎嘣脆受体(Jiang et al., 2018a)

早期本人在人类前沿科学计划(Human Frontiers Science Program - HFSP, Strasbourg, France - http://www.hfsp.org/)的支持下,与北海道大学菅野福夫教授实验室合作,研究了在新鲜分离的大鼠胰腺腺泡,磺酸化铝络酞菁(sulphonated aluminium phthalocyanine, SALPC, Cat. No. AlPcS-834, http://www.frontiersci.com)等光敏剂的光动力作用,对胞浆钙离子浓度的影响。发现新鲜分离的大鼠胰腺腺泡与SALPC孵育(10 min)后光照(1 min),触发腺泡细胞胞浆持续性胞浆钙振荡(Cui, Kanno, 1997)

尽管SALPC光动力作用可发动胰腺腺泡的持续性胞浆钙振荡,但是作用位点是什么,当时并没有予以确认。实验室安玉苹同学的进一步研究,系统论证了SALPC光动力效应的作用位点,是新鲜分离的大鼠胰腺腺泡细胞表面的CCK1型受体(An et al., 2003)。也就是说,SALPC光动力作用,通过II型光动力作用在细胞质膜处所产生的单线态氧分子,永久性氧化激活CCK1型受体,从而触发持续性胞浆钙振荡。这一特性在本人实验室系统筛查的十几种G蛋白偶联受体中,是绝无仅有的。因而我们在近期发表的论文中,将这种可被单线态氧分子激活的G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor activated by singlet oxygen, GPCR-ABSO),或”gapakrebso” ,根据其中文谐音,称为嘎嘣脆受体(Jiang et al., 2018a)。我们发现其它G蛋白偶联受体,都不能被单线态氧分子所永久性氧化激活。

在实验室早期的工作中,细胞质膜处的单线态氧分子,是通过SALPC的短暂孵育所界定的。因为SALPC分子外周边沿含有四个磺酸根,与细胞短暂孵育后不易穿透质膜进入细胞。因而单线态氧分子的发生,被界定到腺泡细胞的基底部质膜。而在生理性光动力作用强度,细胞质膜通透性不受影响,细胞保持健康状态。只是质膜处的CCK1受体被永久性激活。

这种细胞质膜界定的SALPC光动力作用,在体外试验中,是没有任何问题的。对于在体实验,也有一定的可行性。但是SALPC毕竟是通过其特定的理化特性,将本身界定于细胞质膜因而也将所产生的单线态氧分子,局部限制在腺泡细胞质膜处(单线态氧分子扩散距离或有效反应距离 < 20 nm)。对这一研究工作的推广,有一定的局限性。

2006年第一个基因编码的蛋白质光敏剂 - 毒杀红(KillerRed, Bulina et al., 2006a, b)的出现,为我们工作的进一步深入,提供了非常好的工具。到目前为止,已经出现多种基因编码的蛋白质光敏剂,包括迷你单(miniSOG, Shu et al., 2011)及其各种变体(Jiang et al., 2017; Trewin et al., 2018; Losi et al., 2018)。因为这类光敏剂是蛋白质,所以在蛋白质合成的时候,可以通过加载特定的信号肽序列,将基因编码的蛋白质光敏剂,非常特异性地定位在细胞质膜。当然也可以通过与亚细胞特异性表达的蛋白质融合表达,而实现特定亚细胞器的定位。姜洪宁同学成功将毒杀红KillerRed作为基因编码的蛋白质光敏剂,在大鼠胰腺腺泡肿瘤细胞系AR4-2J细胞质膜定位表达。研究发现质膜定位的KillerRed通过光动力作用,永久性激活CCK1型受体,产生持续性胞浆钙振荡(Jiang et al., 2018a)。李园同学的试验表明,结构不同的另外一类基因编码的蛋白质光敏剂迷你单(miniSOG),其细胞质膜处的光动力作用,也永久性激活CCK1型受体(Jiang et al., 2018a)

参考文献

An YP, Xiao R, Cui H, Cui ZJ (2003) Selective activation by photodynamic action of cholecystokinin receptor in the freshly isolated rat pancreatic acini. Br J Pharmacol 139: 872-880.

Bulina ME, Chudakov DM, Britanova OV, Yanushevich YG, Staroverov DB, Chepurnykh TV, et al. (2006a) A genetically encoded photosensitizer. Nature Biotechnol 24: 95-99.

Bulina ME, Lukyanov KA, Britanova OV, Onichtchouk D, Lukyanov S, Chudakov DM (2006b) Chromophore-assisted light inactivation (CALI) using the phototoxic fluorescent protein KillerRed. Nature Protoc 1: 947-953.

Cui ZJ, Kanno T (1997) Photodynamic triggering of calcium oscillation in the isolated rat pancreatic acini. J Physiol (Lond) 504: 47-55.

Jiang HN, Li Y, Cui ZJ (2017) Photodynamic physiology - Photonanomanipulations in cellular physiology with protein photosensitizers. Front Physiol 8: 191.

Jiang HN, Li Y, Jiang WY, Cui ZJ (2018a) Cholecystokinin 1 receptor - a unique G protein-coupled receptor activated by singlet oxygen (GPCR-ABSO). Front Physiol 9: 497.

Losi A, Gardner KH, M&ouml;glich A (2018) Blue-light receptors for optogenetics. Chem Rev 118: 10659-10709.

Shu X, Lev-Ram V, Deerinck TJ, Qi Y, Ramko EB, Davidson MW, Jin Y, Ellisman MH, Tsien RY (2011) A genetically encoded tag for correlated light and electron microscopy of intact cells, tissues, and organisms. PLoS Biol 9: e1001041.

Trewin AJ, Berry BJ, Wei AY, Bahr LL, Foster TH, Wojtovich AP (2018) Light-induced oxidant production by fluorescent proteins. Free Radic Biol Med 128: 157-164. 






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