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吃魚為什么會(huì)變聰明?浙大成果登上Science

來源:浙江大學(xué)      2023-03-03
導(dǎo)讀:近日,浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院和良渚實(shí)驗(yàn)室的張巖教授團(tuán)隊(duì)與山東大學(xué)孫金鵬教授、馮世慶教授和于曉教授團(tuán)隊(duì)合作,通過3年聯(lián)合攻關(guān),成功從原子分辨率水平解析了4種不同類型的脂肪酸和人工合成激動(dòng)劑TUG891分別刺激Omega-3魚油受體形成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物的精細(xì)三維結(jié)構(gòu),詳細(xì)闡述了Omega-3魚油受體識(shí)別不同雙鍵修飾的不飽和脂肪酸的模式,進(jìn)而揭示了不同脂肪酸引發(fā)Omega-3魚油受體產(chǎn)生下游特定信號(hào)譜圖的機(jī)制。這一成果于北京時(shí)間3月3日,在線發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》。

“多吃點(diǎn)魚,聰明!”


不知道小時(shí)候的你,是不是經(jīng)常聽家里長(zhǎng)輩這樣的“勸導(dǎo)”?


在人類的生長(zhǎng)發(fā)育中,需要大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),有的能在體內(nèi)合成,而有的則需要體外補(bǔ)給。Omega-3脂肪酸就是一類人體不能合成、但卻對(duì)身體十分有益的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),臨床研究表明服用該類脂肪酸能夠健腦強(qiáng)腦、調(diào)節(jié)血壓、減少炎癥甚至降脂等健康功效。而魚類特別是深海魚類含有豐富的Omega-3脂肪酸。用咱們老百姓的話來說,多吃魚,確實(shí)對(duì)人體有好處。


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既然有利于人體健康,Omega-3脂肪酸自然也成了科學(xué)家關(guān)注的對(duì)象。神奇之處就在于,很多其它類型的脂肪酸攝入過多會(huì)導(dǎo)致肥胖、糖尿病、高血壓等等代謝類疾病,而Omega-3脂肪酸與它們的差別是非常細(xì)微的,可謂失之毫厘差之千里。那么,揭示不同脂肪酸作用差異背后的根本機(jī)制成為一個(gè)重要的科學(xué)難題


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近日,江大學(xué)醫(yī)學(xué)院和良渚實(shí)驗(yàn)室的張巖教授團(tuán)隊(duì)與山東大學(xué)孫金鵬教授、馮世慶教授和于曉教授團(tuán)隊(duì)合作,通過3年聯(lián)合攻關(guān),成功從原子分辨率水平解析了4種不同類型的脂肪酸和人工合成激動(dòng)劑TUG891分別刺激Omega-3魚油受體形成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物的精細(xì)三維結(jié)構(gòu),詳細(xì)闡述了Omega-3魚油受體識(shí)別不同雙鍵修飾的不飽和脂肪酸的模式,進(jìn)而示了不同脂肪酸引發(fā)Omega-3魚油受體產(chǎn)生下游特定信號(hào)譜圖的機(jī)制


這一成果于北京時(shí)間3月3日,在線發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》。



“盲盒”等待打開








































在人體中,游離脂肪酸是關(guān)鍵的能量來源,也是調(diào)節(jié)許多代謝過程的重要信號(hào)分子。脂肪酸分為飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸,又因含雙鍵的不同分為單不飽和脂肪酸(含1個(gè)雙鍵)和多不飽和脂肪酸(含1個(gè)以上的雙鍵)。


魚油中的Omega-3脂肪酸就是一種多不飽和脂肪酸,包括二十碳五烯酸 (EPA) 和二十二碳六烯酸 (DHA)等小分子。由于Omega-3脂肪酸在促進(jìn)健康和降低疾病風(fēng)險(xiǎn)方面的有益作用,科學(xué)家們一直在研究它的結(jié)構(gòu)功能和作用機(jī)理。


之前的研究發(fā)現(xiàn),Omega-3脂肪酸要想在人體里發(fā)揮作用,需要一個(gè)幫手——Omega-3魚油受體。Omega-3魚油受體(GPR120,F(xiàn)FAR4)屬于人體中最龐大的膜蛋白家族G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)家族,具有促進(jìn)胰島素敏化、刺激GLP-1分泌和控制脂肪生成等多種作用。它可以識(shí)別Omega-3脂肪酸在內(nèi)的多種飽和與不飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸。受體被激活后可以與多種下游效應(yīng)物偶聯(lián),包括多種G蛋白(Gs, Gi, Gq)和β阻遏蛋白(β-arrestin)等,再引發(fā)相應(yīng)的細(xì)胞響應(yīng)和生理作用。但不同的脂肪酸激活Omega-3魚油受體的效果并不同,其中只有某些不飽和脂肪酸是對(duì)人體是有益的。


因?yàn)镚PCR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物結(jié)構(gòu)非常不穩(wěn)定,而且長(zhǎng)鏈脂肪酸分子非常相似,長(zhǎng)久以來很難被捕捉,更不用說如何辨別,科學(xué)家們一直沒有摸清楚不同脂肪酸觸發(fā)不同激活效應(yīng)的原理。也就是說,作為鑰匙的長(zhǎng)鏈脂肪酸在打開Omega-3魚油受體這把鎖時(shí),如同開一個(gè)“盲盒”,我們不知道接下去會(huì)觸發(fā)什么樣的反應(yīng)。


要打開“盲盒”,就要有“火眼金睛”和“金剛鉆”。


張巖教授團(tuán)隊(duì)一直專注細(xì)胞跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制研究和精準(zhǔn)調(diào)控手段設(shè)計(jì),發(fā)展并奠定了基于冷凍電鏡的GPCR結(jié)構(gòu)藥理學(xué),國(guó)際首次獲得了GPCR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu),從原子層面解析生命接收信息、處理信息和編譯信息的過程。

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A,Omega-3魚油受體信號(hào)傳導(dǎo)及相關(guān)功能的概述;B,不同飽和程度的脂肪酸和合成激動(dòng)劑TUG891的化學(xué)結(jié)構(gòu)。



不同的鑰匙開同一把鎖








































Omega-3魚油受體里面究竟藏著什么奧秘呢?


要解開這個(gè)謎團(tuán),就必須先回答清楚一系列問題。

Omega-3魚油受體如何識(shí)別不同的飽和、不飽和脂肪酸以及合成化合物?雙鍵在自然界上普遍存在,哺乳動(dòng)物是否有一個(gè)既定的系統(tǒng)識(shí)別這些雙鍵修飾?如果存在的話,單鍵和雙鍵的區(qū)別如此細(xì)微,如何精細(xì)調(diào)控受體蛋白,并轉(zhuǎn)化為特定的生物信號(hào)傳導(dǎo)?

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A-B, Omega-3魚油受體-Gi/Giq冷凍電鏡結(jié)構(gòu);C, 多種不同配體的電鏡密度;D, Omega-3魚油受體(綠色)的配體結(jié)合口袋與其他脂肪酸受體(黃色)配體結(jié)構(gòu)口袋的比較。


在良渚實(shí)驗(yàn)室冷凍電鏡設(shè)施的幫助下,不斷優(yōu)化樣品制備和計(jì)算方法,克服重重阻礙,“看清楚”魚油分子不同類型的配體之后,科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),不同雙鍵修飾的不飽和脂肪酸都能打開Omega-3魚油受體,導(dǎo)致不同結(jié)果的奧秘就在于單鍵和多鍵如不同鑰匙的的齒紋,在鎖芯中打開方式是不同的,因此雖然打開的是同一把鎖,但走進(jìn)的卻是不同的世界。


來自浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院的論文第一作者毛春友博士說:“Omega-3魚油受體響應(yīng)不同配體的信號(hào)刺激時(shí),可以介導(dǎo)多種下游效應(yīng)G蛋白的信號(hào)通路,而不同G蛋白在介導(dǎo)受體下游的不同功能中起關(guān)鍵作用。”研究人員發(fā)現(xiàn)不同的不飽和脂肪酸,有不同的雙鍵排布組合與Omega-3魚油受體中芳基氨基酸的特定組合產(chǎn)生π: π相互作用,或者與其它氨基酸產(chǎn)生特定疏水作用,這對(duì)確定下游信號(hào)傳導(dǎo)譜圖方面起重要作用。


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Omega-3魚油受體中參與識(shí)別脂肪酸雙鍵的芳香族殘基分布和功能研究



分道揚(yáng)鑣的秘密








































不同鑰匙開同一把鎖,打開了截然不同的世界,后續(xù)是如何發(fā)展的呢?


研究團(tuán)隊(duì)通過結(jié)構(gòu)分析、分子動(dòng)力學(xué)模擬和突變篩選,進(jìn)一步揭示了連接配體口袋中配體識(shí)別與不同效應(yīng)G蛋白募集相關(guān)的構(gòu)象變化的傳遞路徑


張巖表示,每個(gè)信號(hào)的編譯處理是不同的,接收到不同的信號(hào)時(shí)便會(huì)發(fā)出不同的指令,走向不同的道路。為此研究團(tuán)隊(duì)通過功能性實(shí)驗(yàn),證明了Omega-3脂肪酸之所以有益,是因?yàn)樵黾恿艘粭l指令,讓原本可能朝著其他方向走去的信號(hào)“轉(zhuǎn)身”通往了有益于代謝的道路


目前在市場(chǎng)上促進(jìn)兒童智力發(fā)育、幫助中老年降血脂降膽固醇和預(yù)防心血管疾病等已經(jīng)開發(fā)了相應(yīng)的含有Omega-3脂肪酸的保健產(chǎn)品。而未來,浙大團(tuán)隊(duì)將充分調(diào)動(dòng)學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì),開展更優(yōu)“鑰匙”的設(shè)計(jì)


“我們團(tuán)隊(duì)也將繼續(xù)解密調(diào)控生命健康的秘密武器,希望不久的將來有更多更好的‘魚油’和‘鑰匙’”,助力打開通往長(zhǎng)壽健康快樂的大門。”張巖說。


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