Крупный класс медицински значимых белков начинает раскрывать свои секреты

В 2012 году в ведущих журналах Science и Nature вышла серия статей, имеющих большое значение для биологии и медицины. Эти работы, опубликованные лабораторией профессора Рэймонда Стивенса из Института Скриппс, проливают свет на большое и важное для медицины семейство белков — G-белок-сопряжённые рецепторы (GPCR).

GPCR находятся в клеточной мембране и распознают различные молекулы вне клетки: запахи, гормоны, нейромедиаторы и свет. Связываясь с ними, рецепторы запускают специфический ответ внутри клетки. Многие лекарства (от аллергии, болезней сердца, Паркинсона и Хантингтона) нацелены на эти белки.

В 2012 году были опубликованы кристаллические структуры нескольких GPCR:

  • Липидного GPCR (19 января, Science, 335, 1106)
  • Каппа-опиоидного рецептора (21 марта, Nature, 485, 327)
  • Ноцицептин-опиоидного рецептора (17 мая, Nature, 485, 395)
  • A2A аденозинового рецептора (13 июля, Science, 336, 232) — одна из самых высоких на тот момент разрешений (1.8 Å) для человеческого мембранного белка. Структура показала, что рецептор и лиганд работают как аллостерическая машина, контролируемая натрием, водой, холестерином и липидами.

Эти открытия стали возможны благодаря технологиям, разработанным при поддержке NIH Common Fund Joint Center for Innovative Membrane Technologies (JCIMPT) и GPCR Network (часть инициативы NIGMS PSI:Biology).

Ускользающие GPCR

Определение трёхмерной структуры мембранных белков, особенно GPCR, десятилетиями было сложнейшей задачей. GPCR крайне нестабильны вне своей родной мембраны. Первая высокоразрешенная структура человеческого GPCR (β2 адренорецептор) была определена в 2007 году. В последующие три года было опубликовано всего четыре новые структуры.

Теперь ситуация изменилась. По словам фармаколога Брайана Рота, GPCR Network нацелен на получение репрезентативных структур из различных групп GPCR. «Сообществу, вероятно, понадобится всего несколько лет, чтобы получить около 100 необходимых структур», — сказал Рот.

Технические прорывы

По словам Р. Стивенса, не было одного «прорыва», а скорее около 15 отдельных разработок, которые сошлись вместе после 20 лет работы международных групп. NIH Common Fund выделил разработку технологий для мембранных белков в приоритетную область.

Ключевые разработки за последние 8 лет:

  1. Стабилизирующие белки-«партнёры» (fusion proteins), которые делают GPCR более кристаллизуемыми, не влияя на функцию.
  2. Использование лигандов (лекарственных соединений), которые связываются с GPCR и удерживают его в определённой конформации.
  3. Липидная кубическая фаза (LCP) — матрица, имитирующая мембрану, в которой GPCR, холестерин и лиганды легче образуют кристаллы, чем в традиционных детергентных растворах.

Также были разработаны инструменты для предкристаллизационного скрининга, роботизированные системы для кристаллизации и новые технологии визуализации. Кристаллы анализировали с помощью рентгеновской кристаллографии на усовершенствованных синхротронных линиях, например, в Advanced Photon Source (APS).

Осмысление данных

Даже после определения структуры необходимы дальнейшие анализы, так как динамика рецепторов центральна для их функции. В лаборатории Курта Вютриха (Нобелевского лауреата, Институт Скриппс) применяют ядерный магнитный резонанс (ЯМР/NMR), чтобы определить, как конформационные изменения в GPCR влияют на их функцию связывания и сигналинга. Совместная работа лабораторий Стивенса и Вютриха, сочетающая кристаллографию и ЯМР, была опубликована в Science в январе 2012 года.

Роль научных сетей

Тихая революция в определении структур GPCR расширилась благодаря Protein Structure Initiative (PSI) от NIGMS, стартовавшей в 2000 году. В 2010 году акцент сместился на финансирование центров, концентрирующихся на конкретных семействах мембранных белков.

GPCR Network, базирующаяся в Институте Скриппс, объединяет экспертов в различных областях: кристаллографию (Стивенс, Черезов), ЯМР (Вютрих), скрининг (Розен), рентгеновские технологии (Кун), вычислительную биологию (Катрич, Абагян).

Сеть активно сотрудничает с внешними лабораториями, имеющими экспертизу по конкретным GPCR. Например:

  • Совместно с профессором Трейси Хэндел (UCSD) в 2010 году была определена структура иммунного рецептора CXCR4, важного для ВИЧ-инфекции.
  • Совместно с профессором Брайаном Ротом (эксперт по опиоидным рецепторам) были определены структуры каппа- и ноцицептин-опиоидных рецепторов. Автоматизация в лаборатории Стивенса и использование стабилизирующего лиганда JDTic значительно ускорили процесс.

Будущее

Пока доступ к этим высокоавтоматизированным технологиям есть лишь у нескольких лабораторий, но это изменится. «NIH Common Fund JCIMPT приложил значительные усилия для передачи технологий другим группам», — отметила Т. Хэндел.

«Мы находимся только на втором году работы GPCR Network, но результаты уже огромны», — сказал Р. Стивенс. — «Самое захватывающее, что мы можем, наконец, начать решать научные вопросы молекулярного уровня об эволюции GPCR и, возможно, даже начать устанавливать связи с человеческой эволюцией и познанием».

2012-07-12