无论是研究疾病机理，还是开发新药物，理解靶点蛋白的分子结构都是最重要的一步-这将有助于科学家们找到蛋白的活性位点，探索蛋白的构象变化。目前，最传统的技术就是利用核磁共振（NMR）和X射线蛋白晶体学（crystallography）方法来探索蛋白结构。近年来，随着冷冻电镜（cryo-EM) 技术的发展，蛋白质结构和功能的研究又被提升到了一个新的台阶。
不久前，来自美国密歇根大学、斯坦福大学和ConfometRx公司的联合研究小组利用冷冻电镜，在历史上首次捕获了GLP-1及其受体的分子活动 - 这种蛋白的受体正是II型糖尿病的关键靶点，为糖尿病药物研究，乃至整个G蛋白偶联受体家族的研究都开辟了新的思路。这项研究刊登在5月24日的《Nature》杂志上【1】。
G蛋白偶联受体（GPCR）是及其重要的一种蛋白家族。这种跨膜蛋白可以接收膜外的信号分子，并把这种生物信号传递到细胞膜内，从而调控下游的细胞活动。它们不仅能够接收光线、味觉、嗅觉等感官信号，还可以接收荷尔蒙和神经递质的信号。Glucagon-like peptide-1（GLP-1）正是一种能够被GPCR识别的荷尔蒙信号，它可以与GPCR的B家族受体结合，调控下游的胰岛素分泌、碳水化合物代谢甚至是食欲的产生，在II型糖尿病的发病过程中起了关键作用。
然而，由于过去科学家们一直没能获得高分辨率的GLP-1分子图像，GLP-1的研究被大大限制了。这一次，研究人员们成功地利用电镜揭示了GLP-1在膜外如何与GPCR受体相结合，以及它如何引发GPCR模内结构的改变和并激活GPCR。这张来自电镜的“照片”已经接近原子级别的分辨率，让科学家们清清楚楚地看到GPCR是如何接受并传递外部信号！
来源：Nature
“GPCR的重要性毋庸置疑”该论文的作者之一Georgios Skiniotis表示，“世界上所有的药物，有一半都是针对GPCR靶点！这次能够利用冷冻电镜获得高分辨率的GPCR信号分子结构，无疑会推动未来的GPCR药物发现工作。另外，GLP-1受体也是一个非常重要的II型糖尿病靶点。”
体积大，蛋白结构脆弱等特点，让GPCR复合物结构捕获十分困难。X射线蛋白晶体学作为结构研究长期的“金标准”，也拿GPCR复合物束手无策。当年，斯坦福大学的Brian Kobilka教授花费多年心血，才得到了世界上第一个GPCR的结构 - 这个发现足以让他捧得2012年诺贝尔奖的桂冠！
冷冻电子显微镜（cryo-Electron Microscopy）是目前最先进、发展最快的蛋白结构解析技术。冷冻电镜的原理听起来并不复杂，即在一个溶液薄层中利用超低温将蛋白冷冻，然后让他们反射电子，从而解析出蛋白的微观结构。由于每个冷冻的蛋白分子都有不同的排列方向，利用计算机软件，可以将成千上万张二维的“快照”组合成一个具有原子级别分辨率的三维图像。与传统的X射线晶体学相比，冷冻电镜最大的优势就是不需要将蛋白进行结晶 - 而这一步是X射线晶体学中最困难的。”对冷冻电镜技术有兴趣的读者可以参考一篇综述【2】。
来源：Nature
“利用冷冻电镜，我们还可以发现更多GPCR的信息：比如它们是如何移动的？如何折叠的？”参与研究的Yan Zhang博士表示，“同时，我们还可以突破传统晶体学的障碍，对那些结晶困难的复合物进行进一步的观测。”
冷冻电镜正在成为结构学研究的利器，相信在未来，它能给我们带来更多惊喜！
参考文献：
【1】https://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature22394.html
【2】http://www.nature.com/news/the-revolution-will-not-be-crystallized-a-new-method-sweeps-through-structural-biology-1.18335
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