褪黑激素的名字很多人都很熟悉。这种天然激素可以调节生物钟，所以许多人在试图改善失眠或时差反应时，会转向非处方褪黑激素补充剂。科学家希望开发出更安全、有效和特异的褪黑激素途径药物来帮助治疗睡眠障碍，但褪黑激素作用于受体的机制一直像雾一样，给药物设计带来困难。
▲瓦迪姆·切雷佐夫教授，两项研究的共同作者(照片来源:南加州大学，官方网站)
透过云层看到太阳的时刻终于来了！最近，在顶级学术期刊《自然》同时发表的两篇论文中，一个由著名结构生物学家、南加州大学的瓦迪姆·切雷佐夫教授领导的国际团队，首次使用X射线自由电子激光(XFEL)揭示了人体内两种褪黑激素受体的三维结构。“我们希望向其他研究人员提供结构信息，以便他们能够设计新的药物分子或研究患者体内这些受体的突变。”合著者切雷佐夫教授说。
褪黑激素，调节生物钟的重要激素
在我们每个大脑中，一种叫做“松果体”的结构制造并分泌褪黑激素。理想情况下，当太阳从东方升起，从西方落下时，天空明亮而黑暗。眼睛和大脑感知自然光的变化，这将改变松果体产生的褪黑激素水平。因此，我们在黄昏后困于困倦中，在天空明亮时愉快地醒来。
然而，在现代社会，跨越时区的长途旅行，24小时的工作安排，以及暴露在人造蓝光下的几乎24小时在线社交互动，我们体内的计时器不可避免地陷入混乱。不应低估昼夜节律紊乱的后果。它可能导致精神疾病、代谢疾病、肿瘤和其他疾病。许多治疗失眠、昼夜节律异常和情绪障碍的药物都以褪黑激素的两种受体为目标。
褪黑激素结合两种受体，MT1和MT2。先前的研究发现褪黑激素受体存在于人体的许多部位，包括大脑、视网膜、心血管系统、肝脏、肾脏、脾脏和肠道。广泛分布意味着褪黑激素的应用或缺乏将影响许多人类功能。
尽管过去的研究让科学家们知道MT1受体在控制节律中起着重要作用，但MT2受体与体内褪黑激素的循环活动密切相关。然而，如果不了解这两种受体蛋白之间更具体的差异，就很难设计出选择性靶向MT1受体而不影响MT2的药物。
此时，结构生物学家已经为分析两种褪黑激素受体的三维结构带来了新的见解。此时，结构生物学家已经为分析两种褪黑激素受体的三维结构带来了新的见解。
G蛋白偶联受体(GPCR)，药物研发的“宠儿”
褪黑激素受体属于一种跨膜蛋白，称为G蛋白偶联受体(GPCR)。人类细胞中大约有800个已知的GPCR。它们负责在细胞表面传递信号，并在细胞生理和病理过程中发挥重要作用。它们被认为是最重要的药物治疗目标之一。
然而，描述GPCR蛋白分子的三维结构一直是生物物理学家面临的挑战。x射线结晶学是科学家常用的方法。这种方法通常需要蛋白质在获得高分辨率图像结构之前生长足够大的晶体。在这两篇论文中，科学家们采用了独特的方法来解决晶体生长和X射线衍射数据收集的问题。
将表达和纯化的受体置于膜凝胶中，凝胶支持的晶体在膜环境中生长。然后，研究人员用一个特殊的注射器使微晶形成一个薄的晶体流，并用x光扫描它。尽管获得的晶体尺寸较小，但借助于斯坦福线性加速器相干光源(LCLS)的X射线(这有利于其超高亮度、飞秒脉冲等特性)，研究人员避免了晶体被光源下的辐射损坏的问题，并成功地收集了成千上万的晶体散射图像，从而确定了受体的三维结构。
用同样的方法，研究人员还测试了几十种受体突变体的结构，以加深他们对受体工作机制的理解。
高分辨率三维结构显示，MT1和MT2都包含仅允许褪黑激素结合的狭窄通道。更有趣的是，与这两种结构相似的受体相比，研究人员发现一些较大的化合物似乎只靶向MT1受体，而非MT2受体，这为设计选择性靶向MT1的药物提供了基础。
“通过比较MT1和MT2的三维结构，我们可以更清楚地区分这两种受体之间独特的结构差异以及它们在生物钟中的不同作用。知道了这一点，设计只结合一个受体的药物样分子将会更容易。这种特异性结合非常重要，可以最大限度地减少不良反应。”主持MT1结构工作的通讯作者之一，亚利桑那州立大学的刘威教授说。
在世界范围内，睡眠障碍影响着越来越多的人。据估计，每三个人中就有一个人经历过短期失眠。我们期望这两项研究结果能帮助新药研发者更快地找到更安全的新型睡眠辅助工具，并帮助更多的人获得甜蜜的睡眠。