ABEL‑FRET 弥合单分子测量 A2A 腺苷受体结构动态的时间尺度缺口

实时观察微小的细胞开关

当今许多药物通过翻转细胞表面名为受体的分子“开关”发挥作用。这些开关在开启和关闭信号时不断改变形状，但大多数工具只能看到极快或极慢的运动——而不能同时覆盖两者。本文介绍了一种方法，可以在溶液中比以往更长时间观察单个药物靶受体，揭示它如何停留在对药物作用至关重要的特定构象上。

这些可变形蛋白为何重要

研究聚焦于一类重要的细胞表面蛋白——G 蛋白偶联受体（GPCR）。这些蛋白控制视觉、情绪、血压和免疫反应等关键过程，超过三分之一的获批药物作用于它们。一个研究较多的成员，A2A 腺苷受体，参与睡眠、疼痛、炎症和大脑信号的调节，并且是治疗帕金森病和癌症等疾病的有前景靶点。GPCR 具有高度柔性：不同分子结合会将受体推向有利于某些信号通路的不同构象。然而，正是这种柔性，使得基于 X 射线或冷冻电镜得到的静态快照来设计药物变得困难。

在不固定受体的情况下追踪单个受体

为了捕捉 A2A 受体的运动，作者将两种强大技术结合成所谓的 ABEL‑FRET。首先，他们将单个受体重构到称为纳米盘的人工膜小片中，为每个蛋白提供比仅用去污剂更自然的环境。他们在受体内部的两个可动部位分别连接了一对荧光染料。随着受体构象改变，这两个染料之间的距离和相对取向发生变化，进而改变它们之间的能量传递——即福斯特共振能量转移（FRET）。其次，他们没有把受体粘在表面上，而是使用了抗布朗电动力学（Anti‑Brownian Electrokinetic，ABEL）阱：一个带有电极的微流控腔，电极可以感知荧光粒子的位置并轻柔地将其推回中心，以抵消随机的布朗运动。

弥合缺失的时间窗口

传统的单分子 FRET 实验要么只观察自由扩散的受体几毫秒分之一的时间，要么将受体固定在表面上观察数秒到数分钟。每种方法覆盖不同的时间窗口。利用 ABEL 阱，本项工作在溶液中保持个别 A2A 受体可见一到两秒，约为扩散限制实验的 100 倍。这一延长的观测时间使团队得以测量每个被困发射期间以及成千上万个受体之间的 FRET 信号波动，在四种条件下进行比较：无配体、有拮抗剂，以及两种不同的激活分子（激动剂）。借助来自信号分析的统计工具——方差、相关与重现分析——他们能够将随机光子噪声与受体的真实、缓慢结构变化区分开来。

揭示长期存在的隐匿构象

FRET 读数显示，受体占据多种不同的构象，这些构象在典型的几百毫秒观察时间内并未完全互变换。在所有条件下，FRET 值的分布远比仅由噪声引起的预期要宽，揭示了结构异质性：不同分子处于不同的长期构象中。当激活分子结合时，平均 FRET 水平向上移动，表明受体在内部螺旋处于“类活性”构象的时间增加。然而，即便如此，相关性分析也显示，一旦受体处于高 FRET 或中等 FRET 状态，其在该状态下持续至少数百毫秒的可能性很高。这些结果更新了基于更快实验的早期估计，将长期存在状态的特征“驻留时间”从毫秒量级延长到远超一秒的十分之一。

受体能量景观的新图谱

综合这些结果，作者细化了此前认为 A2A 受体主要在类非活性和类活性状态之间切换的模型。他们的新数据表明，这两类广义状态中的每一类实际上都隐藏着若干亚态，这些亚态之间存在相当大的能量屏障，因此单个受体可以在某个特定的类活性或类非活性版本中“卡住”较长时间。激活配体降低了主要的非活性与活性势阱之间的能量屏障，促进在亚毫秒尺度上的快速切换，但每个势阱内部的内部屏障仍然较高，从而产生 ABEL‑FRET 所探测到的长期亚态。

对未来药物的意义

对非专业读者而言，关键结论是：像 A2A 受体这样的药物靶点并非简单地在“关”和“开”之间翻转。相反，它们在一个崎岖的构象景观中探索，其中一些构象持续时间足够长，会影响细胞内信号传递以及药物随时间的作用机制。通过延长在自然、未束缚状态下对单个受体的可观测时间，ABEL‑FRET 填补了超快测量与非常慢测量之间的关键空白。这一方法现在可以应用于许多膜蛋白，提供关于潜在药物靶点如何呼吸、移动并响应治疗性化合物的更完整、具有时间分辨率的图景。

引用: Maslov, I., Borshchevskiy, V., Pérez, I. et al. ABEL-FRET bridges the timescale gap in single-molecule measurements of the structural dynamics in the A_2A adenosine receptor. Commun Chem 9, 114 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01941-8

关键词: G 蛋白偶联受体, 单分子 FRET, 腺苷 A2A 受体, 蛋白质构象动力学, ABEL 阱