莫斯科物理和技术研究所 分子升降机
信用:达里娅·索科尔/MIPT 莫斯科物理和技术研究所和荷兰格罗宁根大学的生物物理学家已经设想了一个来自古细菌的哺乳动物谷氨酸转运体同源物的几乎完整的转运周期
他们证实，这种传输机制类似于电梯:一扇“门”打开，离子和底物分子进入，门关闭，它们穿过膜
据推测，哺乳动物的转运蛋白也以同样的方式运作，因此这一发现对于开发治疗精神分裂症和由这些转运蛋白功能障碍引起的其他精神疾病的新疗法具有潜在的重要性
这项研究发表在《自然通讯》杂志上
神经脉冲以化学信号或电荷的形式，如离子电流，在人体内传播
神经元是神经系统的细胞，可以产生和传播电信号
神经元由一个带有两种类型突起的细胞体组成:多个树突和一个轴突
细胞体和树突充当天线，接收来自其他神经元的信号
通过对所有输入信号进行求和和处理，神经元产生自己的脉冲，然后传递给邻近的神经元
轴突中的电脉冲类似于电线中的电流，但它是由钠离子和钙离子携带的，而不是电子
也就是说，电信号只能在神经元内传输
神经元之间传递的信号是化学性质的，涉及特殊的结构，称为突触
突触中的信号通常由称为神经递质的化学物质携带
神经元将神经递质释放到突触间隙，接收神经元的膜通过一个专门的受体识别神经递质
在这个过程中，另一个隐藏但重要的阶段是神经递质分子必须从突触间隙中移除，以使下一次脉冲传输成为可能
否则，接收神经元将被过度刺激
神经递质被专门的转运蛋白清除，转运蛋白将这些分子从突触间隙泵回细胞体
这些转运蛋白位于神经元的突触或所谓的神经胶质细胞中，为神经元提供支持和保护(图
1)
谷氨酸是人脑中主要的兴奋性神经递质
当谷氨酸被释放到突触间隙时，这将刺激序列中的下一个神经元
人类神经系统也有抑制性神经递质，例如γ-氨基丁酸(γ-氨基丁酸)，当释放时会扼杀神经元中的任何潜力
图1
突触信用:安娜斯塔西娅·弗拉索娃/MIPT 谷氨酸转运体清除突触间隙中的谷氨酸
这个过程对人脑的功能至关重要
抑制从裂缝中去除谷氨酸与许多神经退行性疾病和精神障碍有关，包括精神分裂症
我们经常可以通过观察一个人的亲戚来了解他
这同样适用于被称为同源物的进化相似蛋白质
俄罗斯和荷兰科学家小组已经解决了来自古菌的天冬氨酸转运蛋白的构象整体，它与人类的谷氨酸转运蛋白同源
直到最近，x光结晶学还是研究蛋白质三维结构的主要技术
该方法面临的主要挑战是使蛋白质结晶，以从晶体中获得衍射图像
膜蛋白不容易形成衍射良好的晶体
为了克服这个瓶颈，可以使用另一种叫做低温电子显微镜的技术
在冷冻电镜中，用电子束照射玻璃化的样品，将收集的图像结合起来，产生蛋白质的三维重建
对所得模型进行分析，可用于设计新药
哺乳动物谷氨酸转运体同源物的结构是由荷兰格罗宁根大学的低温电子显微镜确定的
这些蛋白质由三个单独的分子组成，因此它们形成三聚体
每个单独的原体由两部分组成:固定在膜中的不动部分和类似电梯的可移动运输域
这项研究揭示了15个原体结构(五个三聚体)，包括中间构象
该小组还证实了运输领域的独立运动
图2
不同状态古细菌谷氨酸转运体的结构
每张图片代表一个快照，其中原型以下列状态呈现:向内开放(钢蓝色)，中间-向外封闭的apo(青色)，中间-向外封闭的Asp(矢车菊蓝色)，向外开放的TBOA(深蓝色)信用:瓦伦蒂娜·阿尔希波娃等
/自然通讯 “这些结构帮助我们解释这些蛋白质是如何防止钠泄漏的，”MIPT生物系统结构电子显微镜实验室的负责人艾伯特·古斯科夫解释说
“就像在电梯里一样，运输领域有门，只要保持打开，电梯就不会动
但是一旦钠离子和底物——在这种情况下是天冬氨酸分子——进入电梯，门就会关上，电梯就会关闭
所以，如果只有钠离子存在，这不足以关门
" “这使得运输非常有效，这对人类蛋白质来说尤其重要，因为这不仅仅是吞噬天冬氨酸——就像在古细菌中一样——而是神经元之间的信息传递，”科学家补充说
由古斯科夫教授领导的生物系统结构电子显微镜实验室正在MIPT建立一个现代科学基础设施，使俄罗斯能够对单粒子低温电磁进行全周期研究
2019年，该团队推出了一个基于冷冻电子显微镜FEI Polara G2的研究平台，并进一步计划将其升级到最先进的显微镜
“俄罗斯科学界对该实验室的能力要求很高，不断扩大的国际学术网络使人们能够利用现代科学基础设施
这样的基础设施为研究生物学的基本问题打开了新的机会，如离子通道和转运蛋白的功能机制，蛋白质复合体内部的相互作用等
它还能帮助我们找到工业伙伴，将我们的研究成果应用于药物设计和其他医学领域。”
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