重置 Fight-or-Flight 响应
交通堵塞、演讲或错过用餐都会引发一系列生理变化，使身体能够对压力或饥饿做出迅速反应。 这种“战斗或逃跑”或压力反应的关键是导致蛋白激酶 A （PKA） 激活的分子周期，PKA 是一种参与从新陈代谢到记忆形成的方方面面的蛋白质。 现在，宾夕法尼亚州立大学研究人员的一项研究揭示了这个循环如何在压力事件之间重置，因此身体准备好迎接新的挑战。 通过成像、结构和生化技术的组合发现的这种重置机制的细节最近发表在《美国化学学会杂志》上。 “战斗或逃跑反应的一些早期变化包括激素的释放，例如压力引起的肾上腺素或饥饿引起的胰高血糖素，”宾夕法尼亚州立大学化学、生物化学和分子生物学副教授 Ganesh Anand 说埃伯利科学学院 （Eberly College of Science） 和该论文的主要作者。 “这些激素触发了一个重要的分子周期，最终激活了 PKA，PKA 是一种多功能蛋白质，可以调节细胞内一百多种不同的靶蛋白。 更好地了解这个循环不仅对压力和饥饿有影响，而且对我们摄入体内的其他东西也有影响，比如咖啡因和某些启动或延长循环的药物。 在从酵母到人类的所有生物体细胞中，PKA在 active 和 inactive 状态之间振荡。 当胰高血糖素或肾上腺素等激素与细胞中的特定位置结合时，它们会产生一种称为环状 AMP 或 cAMP 的分子。 这反过来又与包含 PKA 的无活性蛋白质复合物结合，将 PKA 切换到更活跃的状态。 但这个周期究竟是如何完成的，系统是如何自我重置的，目前尚不清楚。 “你不希望这个循环永远处于开启状态，一旦压力情况过去就做出反应，”“阿南德说。 “您希望能够重置系统。 由于此重置过程中的错误而导致的 PKA 失调可导致心血管疾病、代谢综合征和其他疾病。 我们想知道这个系统可以保持活动状态多长时间，以及如何将其关闭。 使用多种成像技术 -- 包括电子显微镜和更高分辨率的冷冻电子显微镜，以及生化技术和几种不同形式的质谱法，这些技术提供了深入了解复合物的动力学 -- 研究人员发现了复合物在重置过程中发生的至少三种以前未知的构象。 他们还阐明了这些构象在细胞内使用的物理空间。 “分子不是坚硬的岩石; 它们不断波动，几乎就像在呼吸一样，“阿南德说。 “冷冻电子显微镜是一种强大的成像技术，已经获得了很大的吸引力，但它最终提供了你是一个静态图像。 如果你看一张腿的照片，你可以猜到膝盖和脚踝是如何工作的，但这只是一个猜测。 我们使用了各种其他技术来真正了解这个综合体的移动“关节”。 这是一种迭代方法; 当我们发现新的见解时，我们在不同的技术之间来回移动，以便我们能够真正了解不同成分在各种构象变化期间的作用。 Integral 到 reset 机制是磷酸二酯酶蛋白或 PDE，可从 PKA 复合物中去除 cAMP，使复合物再次失活。 当 cAMP 被移除时，它会在细胞内积累，从而可以跟踪重置周期的数量。 “该系统会随着经历更多的周期而变得更加高效，”宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院化学研究生、该论文的第一作者 Varun Venkatakrishnan 说。 “就像跑步者可以通过练习来增强耐力一样，这种战斗或逃跑的反应有一定的能力来增强耐力。 该系统有一个内置的计时器，可以记录它已经跑了多少圈。 我们想更好地了解连续多次激活循环的含义。 我们也有可能通过添加 cAMP 来欺骗系统，使其认为它跑的圈数比实际的要多。 研究人员表示，允许系统在压力源之间重置在生理学上很重要。 例如，cAMP促进记忆的形成，允许围绕压力事件形成记忆。 长期压力还会增加患 2 型糖尿病的风险，并影响各种系统的功能。 “在现代世界，我们不断受到刺激，包括咖啡因和药物等物质，我们想更好地了解当循环长时间激活时会发生什么，”阿南德说。 “咖啡因是一种 PDE 抑制剂，因此它基本上会暂停重置机制，我们最终从压力反应中获得嗡嗡声，而没有实际的压力。 一些称为胰高血糖素样肽或 GLP 的药物，例如用于改变食欲的药物和所谓的“抗肥胖”药物，可以调节 PKA 循环。 如果我们能找到一种方法来更长时间地保持重置，我们也许能够找到一种方法来抵消压力的一些影响。 此外，研究人员表示，使用冷冻电子显微镜的综合程序框架，质量光谱法和生化技术可用于了解各种蛋白质复合物的运动部分。 除了 Anand 和 Venkatakrishnan，宾夕法尼亚州立大学的研究团队还包括副研究教授兼蛋白质组学和质谱核心设施主任 Tatiana Laremore; Theresa Buckley，化学研究生; 以及生物化学和分子生物学助理教授 Jean-Paul Armache。 本文收集的数据使用宾夕法尼亚州立大学哈克生命科学研究所内的蛋白质组学和质谱核心设施以及冷冻电子显微镜核心设施。 宾夕法尼亚州立大学的资金支持了这项研究。