Science：首次利用新技术在天然条件下成功获得G蛋白偶联受体3D结构

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一个由德国、瑞典和美国组成的国际研究组首次在室温条件下，利用LCLSX射线激光器，成功解码一种重要G蛋白偶联受体(GPCR)的3D结构。同时验证了LCLSX射线激光器的可行性。相关文章发表于2013年12月20日的《science 》杂志上。

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GPCR 功能

GPCR是一个蛋白 大家族，对人类健康有关键性作用，约40%的现代药物都靶标这类蛋白。与GPCR有关的疾病包括，高血压、哮喘、精神分裂症和帕金森症。由于这类蛋白的重要性，GPCR相关研究获得了2012年的诺贝尔化学奖。

然而，解析GPCR的结构并不容易。“我们首次在室温条件下，获得了这种重要膜蛋白的高分辨率结构，”Scripps研究所的VADIm Cherezov说，他是这项研究的领导者。“同时我们还验证了一种新技术 ，以后人们可以放心的用它来解析新的结构。”

新技术解析GPCR结构

研究人员对人类的5-羟色胺受体进行了研究，该蛋白与学习、情绪和睡眠有关，是肥胖、抑郁和偏头痛药物的靶标。为了模拟细胞环境，科学家们在脂肪凝胶中制备该受体的结晶。他们利用新型注射系统，使凝胶进入LCLS(Linac Coherent Light Source)x射线 脉冲的路径，以收集蛋白的结构信息。

这一方法解决了GPCR研究中的最大障碍：传统X射线研究使用同步加速器的，需要较大的结晶体，而GPCR很难达到这样的尺寸。由于LCLS比最强力的同步加速器还明亮百万倍，还支持超快的成像，研究人员可以通过这一技术分析微小结晶并立即收集数据。LCLS成像时射线还来不及造成伤害，因此样品不需要进行冰冻，可以在更天然的状态下检测。

用同步加速器的研究，往往要耗费很长时间，才能获得困难蛋白的大晶体。之后，还需要几个月的时间来优化结晶，收集足够的结构数据。而LCLS技术能解析更小的结晶，可以在几天的时间内完成结构分析。

第一通讯作者，TSRI的刘伟(音译Wei Liu)说，“不用收集晶体颗粒是一大优势，我们只需将含有微晶体的胶状样品载入注射器，就可以收集数据。另外，不用在液氮中冷冻也很重要。我们可以在室温下解析分子结构，这更贴近蛋白的天然环境温度(体温)。”

人体大约拥有800种GPCR，但迄今为止，科学家们只解析了十多个GPCR结构。 此前，人们已经用传统方法分析过人类5-羟色胺受体的结构，但当时进行实验的条件并不理想。现在，新技术提供了更为准确的5-羟色胺受体的结构，将帮助人们更好的开发相关药物，避免副作用。

原文摘要：

Serial Femtosecond Crystallography of G Protein–Coupled Receptors

Wei Liu, Daniel Wacker, Cornelius Gati, Gye Won Han, Daniel James, Dingjie Wang, Garrett Nelson,Uwe Weierstall, Vsevolod Katritch, Anton Barty, Nadia A. Zatsepin, Dianfan Li, Marc Messerschmidt,Sébastien Boutet, Garth J. Williams, Jason E. Koglin, M. Marvin Seibert, Chong Wang, Syed T. A. Shah,Shibom Basu, Raimund Fromme, Christopher Kupitz, Kimberley N. Rendek, Ingo Grotjohann, Petra Fromme,Richard A. Kirian, Kenneth R. Beyerlein, Thomas A. White, Henry N. Chapman, Martin Caffrey,John C. H. Spence, Raymond C. Stevens, Vadim Cherezov

X-ray crystallography of G protein–coupled receptors and other membrane proteins is hampered by difficulties associated with growing sufficiently large crystals that withstand radiation damage and yield high-resolution data at synchrotron sources. We used an x-ray free-electron laser (XFEL) with individual 50-femtosecond-duration x-ray pulses to minimize radiation damage and obtained a high-resolution room-temperature structure of a human serotonin receptor using sub-10-micrometer microcrystals grown in a membrane mimetic matrix known as lipidic cubic phase. Compared with the structure solved by using traditional microcrystallography from cryo-cooled crystals of about two orders of magnitude larger volume, the room-temperature XFEL structure displays a distinct distribution of thermal motions and conformations of residues that likely more accurately represent the receptor structure and dynamics in a cellular environment.