Ученые замедлили быстродействующий белок мозга для получения изображений

Новые прорывные изображения одного из самых быстродействующих белков мозга дают ключевые подсказки, которые могут привести к разработке целевых методов лечения эпилепсии и других расстройств мозга. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Молниеносные движения каинатного рецептора мозга незаменимы для межнейронной коммуникации, но создают дилемму для структурных биологов, пытающихся запечатлеть рецептор в действии.

При активации каинатный рецептор, встроенный в поверхность нейрона, открывает свой ионный канал, а затем захлопывает его в течение миллисекунд.

"Это ключевая проблема для структурных биологов: нужно заморозить эти молекулы за мгновения до закрытия канала", — говорит Александр Соболевский, доцент биохимии и молекулярной биофизики Колумбийского университета, руководивший группой, получившей новые изображения. — "Но для заморозки молекулы требуется около 30 секунд, а это слишком медленно".

Успех с двумя инновациями

"Захват изображений активного рецептора был давней научной проблемой", — говорит Шанти Пал Гангуар, научный сотрудник лаборатории Соболевского. Время, в течение которого канал остается открытым при активации (несколько миллисекунд), слишком мало для обычной заморозки рецептора для крио-электронной микроскопии (cryo-EM).

Чтобы получить изображения рецептора в действии, команда Соболевского разработала два разных приема, замедляющих закрытие канала и ускоряющих процесс заморозки.

1. Молекулярные стабилизаторы: Команда нашла две молекулы, которые связываются с рецептором и удерживают его открытым: небольшая лекарственно-подобная молекула BPAM и лектин Concanavalin A. По отдельности их эффекта было недостаточно. Только при совместном действии BPAM и лектина канал оставался открытым в течение нескольких секунд.
2. Роботизированный "плунжер": Для крио-EM заморозки образца обычно требуется около 30 секунд. Кирилл Надеждин, постдок в лаборатории Соболевского, разработал роботизированное устройство, которое погружает образец в жидкий этан менее чем за 3 секунды, захватывая рецепторы (связанные с BPAM и лектином) в открытом состоянии.

"Обе инновации были необходимы", — говорит Соболевский. — "Мы не смогли бы захватить открытые состояния рецептора только с одной из них".

Изображения дают ключи для новых лекарств

Изображения открытого каинатного рецептора предоставляют критическую информацию для разработчиков лекарств.

• Некоторые препараты, блокаторы ионных каналов, действуют как пробки. "Вам нужна структура открытого канала, чтобы создать препарат, идеально подходящий атом к атому", — объясняет Соболевский.
• Изображения также показывают, как можно оптимизировать противоэпилептический препарат перампанел, нацеленный на каинатные рецепторы, для воздействия на их специфические версии и создания более точных лекарств.

Разработанные методы должны помочь другим исследователям получать больше изображений открытых каинатных рецепторов и других типов быстродействующих молекул. "Чем больше изображений у нас будет, тем лучше будут модели и, надеюсь, тем лучше будут наши лекарства", — заключает Соболевский.