結構生物化學/細胞訊號通路/一氧化氮和cGMP反應
一氧化氮（NO）作為一種重要的訊號分子，在生物系統中起著重要作用。在哺乳動物生理學中，這種氣體分子是環磷酸鳥苷（cGMP）通路中可溶性鳥苷酸環化酶（sGC）的主要啟用劑。當與一氧化氮合酶（NOS）結合時，NO的合成來自L-精氨酸和氧氣（O2）。NO在擴散穿過細胞膜後，與sGC的亞鐵血紅素輔因子結合。因此，sGC只能與NO和一氧化碳（CO）形成穩定的結構，而不能與O2形成穩定的結構。sGC與NO的結合導致系統中cGMP水平的顯著增加。然後，這種第二信使修飾磷酸二酯酶（PDE）、門控離子通道或cGMP依賴性蛋白激酶，以維持生理功能，例如血小板聚集、血管舒張和神經傳遞。為了在與NO/cGMP訊號通路相關的疾病中進行治療干預，許多研究集中在闡明sGC的啟用/失活。本文總結了目前對sGC形式和功能的瞭解，以及NO訊號傳導的最新研究。
在20世紀80年代發現一氧化氮/環磷酸鳥苷（NO/cGMP）通路後，cGMP的產生隨著有機亞硝酸鹽（特別是硝酸甘油（GTN））的臨床應用而刺激。這些化合物透過舒緩血管平滑肌，導致血管舒張，緩解心絞痛後的疼痛。在過去的幾年裡，研究人員關注這些化合物舒緩平滑肌的機制，這導致了NO作為訊號分子的發現。此外，這也導致了合成NO和cGMP的酶的發現。
研究表明，哺乳動物組織的胞質和顆粒級分均表現出鳥苷酸環化酶活性。在這些顆粒級分中，膜結合顆粒鳥苷酸環化酶被鈉尿肽啟用（參考文獻3和4中綜述）。相反，胞質級分含有可溶性鳥苷酸環化酶（sGC），其被NO啟用。NO反應性鳥苷酸環化酶活性也存在於某些組織（如骨骼肌和大腦）以及血小板（5-7）的細胞膜中。大多陣列織含有鳥苷酸環化酶，而這些組織中的蛋白質分佈是同種型特異性的。由於訊號化合物區域性群可以在特定型別的組織內合成，並且靠近可溶性或膜結合的cGMP受體，這為調節cGMP依賴性反應提供了另一個理由。因此，特定組織可以透過表達獨特的GC同種型來控制cGMP水平，這些同種型具有不同的肽受體/配體啟用劑。此外，在人和小鼠血管穩態（8）中，顆粒鳥苷酸環化酶和sGC之間存在相互交流。這些兩個通路之間的交流很可能是透過涉及cGMP的幾個過程來實現的。在真核生物中，NO訊號傳導以鈣的初始釋放為標誌，然後鈣/鈣調蛋白複合物與一氧化氮合酶（NOS）結合，導致酶被啟用。然後，在NO合成後，它擴散到靶細胞並與sGC中的亞鐵血紅素結合。sGC是一種組氨酸連線的血紅蛋白，它與NO和一氧化碳（CO）結合，但不與氧氣（O2）結合。結果，cGMP合成增加了數百倍。
隨著時間的推移，用於cGS純化的經濟高效技術的開發進展甚微，但已經開發了幾種技術來產生大約微克的均質產品。主要來自大鼠和牛組織的cGS提取。在20世紀80年代，從大鼠肺、肝臟以及牛肺中獲得了用於研究的純化sGC。無論如何，人們觀察到，sGC可以不含亞鐵血紅素輔因子而被純化，具體取決於純化方法。使用硫酸銨沉澱和增溶劑會導致蛋白質合成錯誤摺疊。這種錯誤摺疊蛋白質的亞鐵血紅素重建會產生一種獨特的sGC，其生化特性與天然蛋白質不同。目前，牛肺sGC方法是從源組織中分離亞鐵血紅素結合蛋白的最有效和最有效的方法。對於每公斤肺，這些蛋白質產量為1毫克。在進一步的進展中，sGC的生產從重組sGC表達的異源表達系統的進展中得到提升。COS-7細胞被用作第一個成功的異源表達系統。儘管COS-7細胞中的sGC產量很低，但還是成功地建立了sGC作為包含α1和β1亞基的專性異二聚體。此外，COS-7細胞被用於透過裂解物活性測定來檢查sGC的截斷和突變。第一個分離純重組蛋白的程式是在Sf9/桿狀病毒表達系統中過表達大鼠sGC。sGC在昆蟲細胞中的表達在沒有親和標籤的情況下取得了成功，但最近的技術需要一個His標籤來完成純化過程。大多數蛋白質是不溶的。從這種方法中，每升培養液可獲得0.2-0.4毫克純可溶性蛋白質。迄今為止，這已成為獲得每升培養液中純化的純蛋白質的大鼠和人類的常用方法。另一種使用大腸桿菌表達系統的方法用於異二聚體，天蛾（Manduca sexta）。它產生的（0.5-1.0毫克/升）僅是部分純化的全長蛋白質。使用α1和β1亞基C端截斷獲得了更高的產量。雖然由此產生的異二聚體蛋白不能使GTP環化，但它們仍然可以被純化到均質性。
異二聚體sGC的結構包含兩個同源亞基，α和β。大多數研究集中在同種型α-一β-一蛋白質上，儘管也發現了α-二和β-二亞基。最初，這些蛋白質只存在於哺乳動物中，但也存在於果蠅（Drosophila melanogaster）和天蛾（M. sexta）等昆蟲中，以及魚類中。在哺乳動物、人類、大鼠和牛中，已經研究了α和β亞基的定位。透過蛋白質印跡和定量聚合酶鏈反應分析技術，α-二亞基的含量低於α-一和β-一對應物。它在腦、結腸、心臟、脾臟、肺、胎盤和子宮中高度存在。研究表明，透過純化的蛋白質，α-二β-一異二聚體具有與α-一β-一異二聚體完全相同的配體結合特性，但α-二亞基的剪接變異體與β-一亞基結合形成二聚體，形成化學惰性複合物。
目前，幾項針對小鼠的研究表明了各種sGC同種型對生理功能的重要性。似乎缺乏sGCβ-一亞基的小鼠表現出高血壓、心率低和胃腸道收縮障礙。此外，在平滑肌細胞中去除β-一亞基會導致這些細胞中蛋白質的丟失，就像敲除小鼠中的高血壓一樣。一般來說，β-一亞基的缺失往往被視為全域性sGC敲除，因為α-一和β-一與β-二不相容異二聚體。sGCα-一和α-二敲除小鼠也得到了製備。在這裡，兩種蛋白質都被發現對長期增強和血管舒張至關重要，即平滑肌組織中血管的收縮。研究表明，α-一亞基缺陷型小鼠的兩種α亞基都參與了結腸組織的參與。
可溶性鳥苷酸環化酶的結構和調節。Derbyshire ER, Marletta MA. Annu Rev Biochem. 2012;81:533-59. Epub 2012年2月9日。評論。