结构生物化学/细胞信号通路/RAGE：模式识别受体
RAGE 是免疫系统中的一种核心信号分子，参与炎症的持久和复杂反应。RAGE 也是糖基化产物的受体，并充当模式识别受体，识别共同特征而不是特定配体。关于 RAGE 的细胞外结构的新信息导致了这一发现。X 射线晶体学和核磁共振实验程序表明，配体结合是由外域和配体之间的静电相互作用驱动的，外域带正电，而配体带负电。
这种受体，RAGE，是细胞表面受体超家族的一部分，称为免疫球蛋白 (Ig)。它是包括糖尿病、炎症、动脉粥样硬化、神经退行性疾病甚至癌症在内的严重慢性疾病发展中的主要分子。健康动物的 RAGE 分子表达量很低，但随着健康状况或疾病的恶化，表达量会增加。RAGE 分子表达的增加也会增加附着在 RAGE 分子上的配体表达。RAGE 配体的例子包括 AGEs，它们是晚期糖基化终产物和 S100 蛋白家族的成员。AGEs 也是许多其他组的一部分，包括高迁移率族蛋白盒 1 (HMGB1)、β 淀粉样蛋白和纤维蛋白聚集体。配体与 RAGE 受体的结合激活了各种信号通路，这些通路依赖于配体、环境或细胞类型。这些通路可能是
- RAS-细胞外信号调节激酶通路
- 应激激活蛋白激酶通路
- p38 丝裂原活化蛋白 (MAP) 激酶通路
- cAMP 响应元件结合 (CREB) 蛋白
- 转录家族激活 (STAT3)
当炎症反应正在进行时，RAGE-配体附着会导致 RAGE 分子表达增加。这是一种正反馈回路，会导致 NF-κB 的持续激活，NF-κB 是一种核转录因子，允许将正炎症反应转化为慢性生理状态。这种现象的研究人员意识到，为了防止 RAGE 分子抑制炎症反应，RAGE-配体和 RAGE 分子产生的正反馈回路应该通过阻断受体-配体相互作用位点来破坏。然而，这需要对 RAGE-配体相互作用机制有深入的了解。
X 射线晶体学和核磁共振波谱法使得能够研究 RAGE 的结构以及 RAGE-配体识别的机制。RAGE 具有很大的正表面电荷，使其能够为带负电荷的配体创建静电陷阱。RAGE 的分子组织在启动配体相互作用的信号中起着重要作用。通过研究荧光标记的受体，很明显 RAGE 不以细胞质膜中的单一分子形式存在，而是收集在受体组装体中。
RAGE 具有单个跨膜螺旋，将外域与短的胞质域连接起来，以及一个配体识别和结合所需的细胞外成分。这种细胞外成分具有三个类似免疫球蛋白 (Ig) 的结构域。N 端 Ig 结构域被分配给 Ig 样分子的 V 集，被称为 RAGE 的 V 结构域。另外两个 Ig 结构域是 C1 和 C2 集的一部分。N 端 V 结构域位于远离质膜的位置，但 C2 结构域位于靠近膜的位置。V 和 C1 结构域可以连接在一起形成一个细长的结构。V 和 C1 结构域可以固定并成为 VC1 结构域，可以通过几个没有二级结构的氨基酸连接到 C2 结构域，从而使 VC1 和 C2 结构域连接起来。核磁共振波谱研究表明，VC1 作为一个单位移动，并且可以与 C2 结构域结合。
V 结构域包含大量的精氨酸和赖氨酸，它们在中性 pH 值下带有正电荷。RAGE V 结构域的精氨酸和赖氨酸含量比 Ig 结构域的 V 集要高。精氨酸和赖氨酸残基在 V 和 C1 结构域的表面形成大的带正电荷的区域。同时，C2 结构域在其表面主要具有酸性残基，并且带负电荷。由于这两个结构域带相反的电荷，RAGE 的细胞外成分被细分。这种细分反映在不同结构域的配体结合特性中，因为配体不会由于电荷排斥而与 C2 结合。大多数配体倾向于与 V 结构域或 VC1 结构域结合，因为配体带负电荷。只有一个案例是配体与 C2 结构域结合。尽管如此，电荷-电荷相互作用对于受体-配体复合物的形成非常重要，并且表明 RAGE 分子的带正电荷的配体结合域可以识别配体的负电荷的某些排列，并且可以识别这些排列作为配体的共同特征。
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正电子发射断层扫描 (体内) 和体外实验使得能够研究配体的结合。体外研究是通过监测 RAGE 配体的细胞反应以及蛋白质-蛋白质相互作用来进行的。结论是，RAGE-配体结合会导致细胞立即做出反应。当 RAGE 和配体之间的结合亲和力高时，配体及其 RAGE 分子的信号强度会增加。当信号复合物被激活更长时间时，信号强度也会增加。配体结合过程有两个阶段。首先，解离阶段揭示了信号传导能力复合物的寿命。在体外解离缓慢的配体可以诱导更长和更强烈的受体激活。表面等离子共振 (SPR) 是一种观察这些激活的方法，因为它检查了受体的实时相互作用，该受体可以被固定，以及可以结合的配体。可以观察到结合的热力学，包括 RAGE-配体吸引力的亲和力以及解离的动力学。SPR 技术还发现，多聚体或由多个亚基组成的配体与其受体的结合时间更长。
Rage 配体非常多样，并且具有共同特征，可以激活 RAGE 分子。以下是 RAGE 配体的例子
- AGEs (晚期糖基化终产物)
这些分子是异质的，来源于蛋白质、肽和糖的缩合和氧化。形成 AGE 的第一步是糖的醛基与来自赖氨酸或精氨酸氨基酸的胺基的反应。这是一个非特异性且非酶促的过程，称为糖基化。当个体糖基化水平高且频繁时，会导致糖尿病和其他并发症。AGEs 的氧化可以通过氨基的羧甲基化来增加配体上的整体负电荷。AGEs 和 RAGE 之间具有很高的亲和力，并启动了对促炎反应的高度耐受性。AGE 和 RAGE 的相互作用被认为是糖尿病并发症和心血管疾病的主要原因。
- S100 蛋白
该蛋白家族包含超过 25 个成员，每个成员都表现出不同的模式和功能。这些蛋白质很小且呈酸性，并且具有两个由柔性环连接的不同钙结合位点。S100 蛋白形成同二聚体，有时还形成异二聚体和寡聚体，例如四聚体和八聚体。S100 蛋白主要存在于脊椎动物中，并定位于细胞质中，充当钙传感器。这些蛋白质可以表现出细胞内钙信号传导和结合，导致 S100 蛋白构象和形状发生改变。在细胞外空间，由于钙浓度高，S100 蛋白会负载钙，因此它们可以轻松地与 RAGE 结合。
- 淀粉样蛋白 β 和淀粉样蛋白纤维
阿尔茨海默病是由淀粉样蛋白 β 肽的细胞外沉积引起的，而淀粉样蛋白 β 肽源于淀粉样蛋白前体蛋白的蛋白水解裂解。淀粉样蛋白 β 肽包含 40 到 42 个氨基酸。这些肽具有酸性和疏水区域，容易积累淀粉样蛋白纤维，这些纤维在脑中积聚形成淀粉样斑块，导致阿尔茨海默病。阿尔茨海默病的小鼠模型表明，RAGE 结合淀粉样蛋白 β 并将其从血液中移动到中枢神经系统 (CNS) 的血脑屏障。体外分析表明，RAGE 和淀粉样蛋白 β 对可溶性淀粉样蛋白 β 肽具有高亲和力。RAGE 也可以结合淀粉样蛋白纤维。
- 高迁移率族蛋白 1 (HMGB1)
这种蛋白质具有细胞外调节功能，并充当促炎激活剂。HMGB1 有三个结构域：两个 N 末端结构域参与 DNA 结合，一个 C 末端结构域包含各种酸性氨基酸，并指导与 RAGE 分子的结合。HMBG1 结合 RAGE 和 Toll 样受体 9 (TLR9)，形成激活 B 细胞的 HMGB1-RAGE-TLR9 复合物。DNA 可以与 RAGE 高亲和力结合并形成稳定的复合物，而无需 HMGB1 蛋白，但 DNA-RAGE 相互作用尚未产生明显的结果。
RAGE 可以识别不同配体中的共同特征。RAGE 配体在其表面具有净负电荷。它们通常也具有中性 pH 值，但 S100 蛋白具有酸性 pH 值。此外，AGE 通常在其表面不带负电荷，直到它们在糖基化和氧化过程中发生转化。大多数配体也发生寡聚化。AGE 修饰蛋白质，导致与较高摩尔质量分子的共价键。S100 蛋白也形成四聚体或八聚体的巨大组装体。
Fritz, Gunter. RAGE: a single receptor fits multiple ligands. Trends Biochem Sci. 2011 Dec(12): 625-32. Epub2011 Oct19.