20 多年后科学家终于解析了Janus激酶的全长结构
当细胞因子（绿色）与受体（蓝绿色）结合时，Janus 激酶蛋白（粉红色）的两个部分聚集在一起，激活它在细胞内发送信号。在某些癌症中，激酶的突变将其锁定在一起，使其异常活跃。来源：埃里克史密斯/克里斯加西亚/霍华德休斯医学研究所
突破发生在分子生物学家克里斯托弗·加西亚的生日那天。
20 多年来，他的团队和世界各地的其他人一直在寻找一个难以捉摸的猎物——细胞中一种关键信号蛋白的 3D 结构。2021 年末，他的分子电子显微镜图像开始成为焦点。12 月 8 日，博士后 Naotaka Tsutsumi 和研究生 Caleb Glassman 向他发送了一封电子邮件，其中包含锁定在关键受体上的蛋白质的清晰图片。斯坦福大学霍华德休斯医学研究所研究员加西亚回忆说：“我正在开会，我意识到我们做到了。” “我立即离开会议，跑回实验室。”
刚搬到波士顿攻读哈佛博士后的格拉斯曼取消了原定的野外旅行，然后赶回斯坦福。“我想完成 Naotaka 和我已经开始的事情，”他解释道。然后，三位研究人员夜以继日地工作，确定了这种蛋白质的完整结构，称为 Janus 激酶，并击败了竞争实验室的发现。“这是全球许多伟大团体之间的一场盛大的赛马，我们正在冲向终点线，”加西亚说。12 月 26 日，他们匆忙向《 科学》杂志投稿，该杂志于 2022 年 3 月 10 日发表了这项工作。
Garcia 的团队不仅发现了一个极其重要的信号分子的完整结构，还发现了这些激酶如何发挥作用的机制，这一直是“生物学中的一个基本问题”，美国国立卫生研究院的免疫学家 John O'Shea 说。帮助开发阻断 Janus 激酶功能的首批药物之一的 Health 并没有参与这项新研究。由于蛋白质可能会在疾病中出错，因此结果可能会导致针对某些癌症的新的更好的药物。“这是一项了不起的工作，”O'Shea 说。
小打小闹
Janus 激酶是动物界的交流奇才之一。它们接收来自外部细胞的信号，并将信息传递给内部的分子。多年来，科学家们已经知道 Janus 激酶发生故障会导致疾病。一些损害 Janus 激酶的突变会严重削弱身体抵抗感染的能力，导致几乎与“泡泡男孩病”相同的病症。当基因故障和夸大的信号过度加速激酶时，结果可能是白血病等血癌，以及过敏或自身免疫性疾病。
研究人员知道部分蛋白质的形状，包括分子末端的相关酶和调节区域，这为它们赢得了以双面神话罗马神命名的 Janus 激酶。复杂的药物筛选发现了抑制这些蛋白质的分子，为医生提供了治疗某些癌症和类风湿性关节炎等疾病的方法。但是科学家们在不知道分子的完整结构或它们如何被激活的情况下开发了这些药物。因此，目前的近十几种药物库中的大多数，以及更多处于临床试验中的药物，都是相对钝的工具，可以阻断健康的和突变的 Janus 激酶。它们仍然可以治疗许多疾病，从湿疹到COVID-19，但也会引起一系列副作用。
加西亚想要更详细地了解蛋白质，但正如他在 1995 年首次尝试将分子成像为博士后时所了解到的那样，这是一项艰巨的挑战。众所周知，这些激酶很难在实验室中制造。而且它们不容易形成晶体，科学家需要使用 X 射线晶体学捕获 3D 结构。因此，多年来，Garcia 和其他人一次只能查看一些激酶。他说：“我们一直在削减，没有太多可以展示的东西。”
在过去的几年里，这些碎片开始到位。一个关键的进步是一种称为cryo-EM的方法，科学家们在这种方法中冷冻样品，然后使用电子显微镜观察它们。另一个是加西亚的团队选择研究一种小鼠 Janus 激酶，而不是一种不太稳定的人类激酶。他们还在小鼠激酶中引入了一种常见的致癌突变，从而进一步稳定了该分子。
点燃火
Garcia 的团队的工作揭示了一种名为 JAK1 的 Janus 激酶的结构，并概述了它用于在细胞内发送信号的步骤。
首先，受体蛋白分布在细胞膜上，像牙签一样从细胞的内外表面戳穿三明治。然后，细胞内的一个 Janus 激酶附着在受体上，等待信号。接下来，称为细胞因子的分子接近细胞的外部，每个都与两个受体结合。Garcia 解释说，细胞因子就像一座桥梁，将两个受体拉得更近。这将 Janus 激酶的活性末端聚集在一起，将它们打开。就像火柴点燃火一样，激酶传递一个信号，告诉基因打开或关闭。
该结构还揭示了致癌突变如何通过将 Janus 激酶的两个部分粘合在一起而使该信息链短路。即使没有外部细胞因子，这也会导致两个活跃区域保持开启状态，从而引发可能引发癌症的不受控制的活动。
加西亚希望新结果可以帮助科学家设计出更好的药物，只针对有缺陷的 Janus 激酶，让健康的版本继续履行其正常职责。他说，这项工作是“科学理想情况的一个例子，解决一个基本问题也与疾病直接相关”。
参考文献：“Janus 激酶细胞因子受体复合物的结构揭示了二聚体激活的基础”，作者 Caleb R. Glassman、Naotaka Tsutsumi、Robert A. Saxton、Patrick J. Lupardus、Kevin M. Jude 和 K. Christopher Garcia，2022 年 3 月 10 日,科学。
DOI: 10.1126/science.abn8933