Структурные данные показывают, как разные лиганды GPCR создают разный уровень активации
G-белковые сопряженные рецепторы (GPCR) — это белки, которые активируются лигандами (химическими веществами, связывающимися с белками) извне клетки для передачи сигнала внутрь. Сигналы передаются в основном через активацию G-белков, что вызывает различные физиологические эффекты.
Из-за их важной роли в росте, метаболизме и передаче нейромедиаторных сигналов GPCR являются выдающимися мишенями для лекарств, включая треть препаратов, одобренных FDA. Однако недостаток понимания того, как разные лиганды, связывающиеся с одним и тем же GPCR, могут вызывать разную степень одного и того же эффекта, тормозил разработку лекарств.
Скорость, с которой разные лиганды-агонисты продвигают μ-опиоидный рецептор (известный GPCR, мишень обезболивающих вроде морфина и кодеина) через этапы активации, объясняет, как агонисты могут по-разному влиять на один и тот же рецептор.
Новое исследование ученых из St. Jude Children's Research Hospital объясняет этот механизм. Работа опубликована в журнале Nature.
Кинетическая ловушка — это состояние, в котором GPCR «застревает» в промежуточных формах (конформациях) во время активации, и для выхода требуется значительная энергия. Представьте шарик, катящийся с холма и замедляющийся в небольшой ямке, в то время как другой, более крупный шар может скатиться быстрее, не задерживаясь в той же ямке.
Большинство GPCR начинают передачу сигнала, изменяя форму для активации и высвобождения связанного G-белка после связывания агониста. Эти изменения формы должны преодолевать кинетические ловушки — «ямки на холме» на пути к активации. Исследование показало, что разные агонисты могут продвигать GPCR через эти ловушки, но с разной скоростью, подобно шарам разного размера. Разная скорость этих процессов объясняет различия в эффективности, даже если конечное состояние структурно идентично.
«Мы обнаружили, что для частичных агонистов GPCR система замедляется, застревая на определенных этапах изменения конформации во время активации», — сказал автор-корреспондент Георгиос Скиниотис, доктор философии. «Независимо от того, насколько сильно агонист активирует систему, этапы остаются теми же, но более слабым агонистам требуется больше времени, чтобы пройти через них, что коррелирует с их эффективностью».
«Мы смогли запечатлеть "молекулярные фильмы" о том, как три очень разных препарата для μ-опиоидного рецептора тонко настраивают уровень сигнализации на G-белках», — сказал первый автор Майкл Робертсон, доктор философии. «Эти данные могут помочь в разработке лучших обезболивающих для борьбы с опиоидной эпидемией и лучших препаратов для GPCR в целом».
Попадание в кинетическую ловушку
Исследователи выявили основную причину вариаций, получив несколько структур промежуточных состояний во время активации комплекса GPCR–G-белок. Они сравнили частичный, полный и суперагонист μ-опиоидного рецептора и использовали криоэлектронную микроскопию (cryoEM), чтобы зафиксировать изображения высвобождения активированного G-белка с течением времени.
«Мы увидели, что частичные агонисты заставляли GPCR дольше застревать в "кинетической ловушке"», — сказал Скиниотис. «Супер- и полные агонисты быстро продвигались к диссоциации G-белка, а частичные агонисты дольше оставались в псевдостабильной форме перед его высвобождением».
Этот механизм был дополнительно подтвержден измерениями одно-молекулярной визуализации, выполненными в сотрудничестве с лабораторией соавтора Скотта Бланшарда, доктора философии.
Ученые обнаружили, что активация G-белка требует от связанного комплекса GPCR–агонист преодоления энергетических барьеров для нескольких промежуточных изменений формы. Полные и суперагонисты давали GPCR большую динамичность, позволяя быстро преодолевать эти барьеры, причем суперагонисты превосходили полные.
Частичные агонисты приводили к более жесткой структуре, которая с трудом преодолевала энергетические барьеры, особенно застревая в кинетической ловушке ближе к концу процесса. Важно, что частичные агонисты со временем достигают активации, но гораздо медленнее, чем полные или суперагонисты, что четко объясняет разницу в силе их эффектов.
«Мы показали, что разные агонисты действуют как разные люди, переключающие липкий диммер», — сказал Скиниотис. «Все переводят его из выключенного состояния во включенное, но более сильные делают это быстрее, а более слабые замедляются или "застревают" там, где путь особенно "липкий". Это понимание может помочь нам лучше понять, как функционируют GPCR, и направить разработку препаратов следующего поколения, точно настроенных на максимизацию безопасности и сохранение эффективности за счет использования этой динамики».