蛋白激酶 A (PKA) 的激活是身体响应压力和饥饿的重要部分。通过各种成像和生化技术，研究团队揭示了激活 PKA 的代谢循环如何在压力事件之间重置。
在交通中被切断、做演讲或错过一餐都可能触发一系列生理变化，使身体能够迅速应对压力或饥饿。此“斗争或逃跑”或压力反应的关键是一个分子循环，最终导致蛋白激酶 A (PKA) 的激活，这种蛋白质涉及从新陈代谢到记忆形成的一切。现在，宾州州立大学的研究人员的研究揭示了这个循环在压力事件之间如何重置，使身体准备应对新挑战。
这一重置机制的细节，通过结合成像、结构和生化技术揭示，最近刊登在美国化学学会杂志上。
宾州州立大学Eberly科学学院的化学及生物化学与分子生物学副教授、论文的第一作者Ganesh Anand表示：“斗争或逃跑反应的一些早期变化包括激素的释放，例如因压力而释放的肾上腺素或因饥饿而释放的胰高血糖素。这些激素触发一个重要的分子循环，最终激活 PKA，这是一种多功能蛋白，能够调节细胞内超过一百种不同的靶蛋白。更好地理解这个循环不仅对压力和饥饿有影响，还对我们体内的其他物质，例如咖啡因和某些药物的作用，这些药物可以启动或延长这个循环。”
在从酵母到人类的所有细胞中，PKA 在活性和非活性状态之间波动。当激素如胰高血糖素或肾上腺素结合到细胞中的特定位置时，它们会生成一种称为环 AMP（cAMP）的分子。这反过来又结合到包含 PKA 的非活性蛋白复合物中，切换 PKA 到更活跃的状态。但是这个循环如何完成以及系统如何重置仍然不清楚。
Anand表示：“你不希望这个循环在压力情况结束后持续激活。你希望能够重置系统。由于这个重置过程中的错误导致 PKA 的失调可能会导致心血管疾病、新陈代谢综合症和其他疾病。我们想知道这个系统能够保持活跃多久以及如何将其关闭。”
通过使用多种成像技术——包括电子显微镜和高分辨率冷冻电子显微镜，以及生化技术和几种不同形式的质谱法，这些技术提供了对复合物动态的见解，研究人员揭示了在重置过程中至少存在三种先前未知的复合物构象。他们还澄清了这些构象在细胞内所占的物理空间。
Anand说道：“分子并不是刚性的石头；它们不断波动，就像在呼吸。”冷冻电子显微镜是一种强大的成像技术，已经获得了很多关注，但它最终给你的是静态图像。如果你看一张腿的照片，你可以猜测膝关节和脚踝如何工作，但这只能算一个猜测。我们使用了各种其他技术，真正理解这个复杂体的流动‘关节’。这是一种迭代的方法；在我们发现新的见解时，我们在不同技术之间来回移动，以便真正理解在各种构象变化过程中不同组件的作用。”
与重置机制密切相关的是磷酸二酯酶蛋白（PDE），它们去除 PKA 复合物中的 cAMP，使该复合物再次失活。随着 cAMP 的去除，它可以在细胞内积累，从而追踪重置循环的次数。
宾州州立大学Eberly科学学院的化学研究生、论文的第一作者Varun Venkatakrishnan表示：“随着循环次数的增加，系统变得越来越高效。就像跑步者通过训练可以提高耐力，这种斗争或逃跑反应也有一定的耐力建立能力。这个系统有一个内置的计时器，可以记录它已经跑了多少圈。我们希望更好地理解连续激活这个循环的影响。我们还有可能通过添加 cAMP 让系统误以为它已经跑了更多的圈。”
研究人员表示，让系统在压力源之间重置在生理上是重要的。例如，cAMP 促进记忆形成，允许围绕压力事件形成记忆。长期压力还可能增加患2型糖尿病的风险并影响多种系统的功能。
Anand表示：“在现代世界中，我们连续受到刺激，包括咖啡因和药物等物质，我们希望更好地理解长时间激活这个循环会发生什么。咖啡因是一种 PDE 抑制剂，因此它本质上暂停了重置机制，我们最终获得了来自压力反应的兴奋，而没有实际的压力。而一些称为类胰高血糖素肽（GLP）的药物，例如用于改变食欲的药物，以及所谓的‘抗肥胖药’可以调节 PKA 循环。如果我们能够找到一种方法来延长重置的时间，我们也许能够找到对抗一些压力影响的方法。”
此外，研究人员表示，使用冷冻电子显微镜、质谱技术和生化技术的整合程序框架可以被调整用于理解各种蛋白质复合物的运动部分。
除了 Anand 和 Venkatakrishnan，宾州州立大学的研究团队还包括 Tatiana Laremore（副研究教授和蛋白质组学与质谱核心设施主任）、Theresa Buckley（化学研究生）、和 Jean-Paul Armache（生物化学与分子生物学助理教授）。本论文的数据是通过宾州州立大学 Huck 生命科学研究所的蛋白质组学与质谱核心设施和冷冻电子显微镜核心设施收集的。宾州州立大学的资金支持了这项研究。
