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PNAS:研究揭示GAD65改变自身形状来调节神经递质生成

来源:生物谷 2014-06-13 10:42

2014年6月13日讯 /生物谷BIOON/--近日,研究人员进一步弄清楚了蛋白GAD65与1型糖尿病之间的联系。新的研究发表在PNAS杂志上,揭示了一个蛋白质GAD65,当它开启和关闭时,会改变其形状。奇怪的是,蛋白的这种特性与1型糖尿病有关。

在人的大脑,GAD65发挥至关重要的作用:它生成“神经递质”,即脑细胞之间传递信息的化学物质。GAD65也见于胰腺中,以往的研究认为这与1型糖尿病有关,由于体内产生抗体以抵抗该蛋白。然而直到如今,GAD65 与抗体结合的分子细节仍是个谜。

这项新的研究研究了GAD65如何通过改变自身的形状来调节神经递质的生成。主要研究员副教授Ashley Buckle说:当它开启和关闭时,GAD65有一个不可预知的特性。当其处于活跃状态,生成神经递质时,它是刚性的,而是不动的。讽刺的是,但关闭的时候,而不是先前所认为的处于“休息”状态,它是快速移动的。

我们怀疑GAD65的双重特性可能会影响抗体如何识别GAD65,也即抗体与GAD65的交互作用取决于它是否开启或关闭。GAD65先前已被作为疫苗,用于临床试验治疗1型糖尿病,但成果有限。副教授Buckle说,这一发现可能最终导致开发更好的疫苗,治疗和预防1型糖尿病。

副教授Buckle说:运用GAD65赋予个体免疫性,以帮助免疫系统制定一个耐受性,阻止或至少抑制免疫反应的想法是好的,但到目前为止,这些尝试都不太成功。而这项研究可能改变现状。

这项长达七年的研究,使用实验和计算相结合的方法来了解GAD65在其“关闭”状态下看起来像什么,以及人类抗体如何与GAD65的两种形式进行互动。澳大利亚同步加速器强大的光束线以及大量的超级计算机被用来加速研究。

副教授Buckle说:世界级的设施是研究的关键。像X射线晶体学等技术产生了大量分子的惊人的,详细的图片,但这些往往是在时间,为了分析运动中的分子,我们需要结合其他技术,如分子模拟,产生一个“动画”,而在此,澳大利亚同步加速器和VLSCI发挥了重要作用。在下一阶段,研究小组将在它与人类自身的抗体相互作用过程中可视化GAD65。理解为什么GAD65被抗体识别是下一个步骤,研究人员希望这项工作将提供可应用于卫生和医药更广泛方面的重要基本知识。(生物谷Bioon.com)

Cofactor-dependent conformational heterogeneity of GAD65 and its role in autoimmunity and neurotransmitter homeostasis

Itamar Kassa,et al.

The human neuroendocrine enzyme glutamate decarboxylase (GAD) catalyses the synthesis of the inhibitory neurotransmitter gamma-aminobutyric acid (GABA) using pyridoxal 5′-phosphate as a cofactor. GAD exists as two isoforms named according to their respective molecular weights: GAD65 and GAD67. Although cytosolic GAD67 is typically saturated with the cofactor (holoGAD67) and constitutively active to produce basal levels of GABA, the membrane-associated GAD65 exists mainly as the inactive apo form. GAD65, but not GAD67, is a prevalent autoantigen, with autoantibodies to GAD65 being detected at high frequency in patients with autoimmune (type 1) diabetes and certain other autoimmune disorders. The significance of GAD65 autoinactivation into the apo form for regulation of neurotransmitter levels and autoantibody reactivity is not understood. We have used computational and experimental approaches to decipher the nature of the holo → apo conversion in GAD65 and thus, its mechanism of autoinactivation. Molecular dynamics simulations of GAD65 reveal coupling between the C-terminal domain, catalytic loop, and pyridoxal 5′-phosphate–binding domain that drives structural rearrangement, dimer opening, and autoinactivation, consistent with limited proteolysis fragmentation patterns. Together with small-angle X-ray scattering and fluorescence spectroscopy data, our findings are consistent with apoGAD65 existing as an ensemble of conformations. Antibody-binding kinetics suggest a mechanism of mutually induced conformational changes, implicating the flexibility of apoGAD65 in its autoantigenicity. Although conformational diversity may provide a mechanism for cofactor-controlled regulation of neurotransmitter biosynthesis, it may also come at a cost of insufficient development of immune self-tolerance that favors the production of GAD65 autoantibodies.

 

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