Изображения ключевых клеточных рецепторов открывают новые перспективные мишени для лекарств

Почти 35% препаратов, одобренных FDA, действуют, нацеливаясь на G-белок-сопряженные рецепторы (GPCR) — белки, встроенные в клеточные мембраны, которые позволяют клеткам общаться друг с другом. Адгезионные G-белок-сопряженные рецепторы (aGPCR) — второе по величине семейство этих рецепторов у человека. Как следует из названия, они помогают клеткам адгезировать (прилипать друг к другу) и посылать сигналы внутри организма.

Эти рецепторы вовлечены во многие процессы, такие как рост тканей, работа иммунной системы и формирование органов. Проблемы с aGPCR также могут приводить к заболеваниям, таким как рак, нарушения работы мозга и проблемы роста. Однако, несмотря на их очевидно важную роль, не существует одобренных лекарств, нацеленных на aGPCR, потому что они крупные, сложные и трудно поддаются изучению.

Новое исследование Чикагского университета объединило две мощные методики визуализации, чтобы изучить полную структуру распространенного aGPCR, включая то, как его длинный и сложный внеклеточный домен взаимодействует с трансмембранным доменом, встроенным в поверхность клетки. Различные позиции и движения внеклеточного домена, по-видимому, являются важным способом активации рецептора.

«Это открывает новые возможности для воздействия на адгезионные GPCR, потому что теперь мы показываем, что внеклеточный домен взаимодействует с трансмембранным доменом», — сказала Демет Арач, доктор философии, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии и старший автор нового исследования.

Результаты опубликованы в Nature Communications.

Получение новых изображений и новых конфигураций

Внеклеточный домен aGPCR простирается от клеточной мембраны в пространство вне клетки, где он может связываться с молекулами и рецепторами других клеток. Он состоит из нескольких доменов, включая домен GAIN (GPCR Autoproteolysis INducing), который может расщепляться на две части.

Согласно общепринятому пониманию, для активации aGPCR лиганд извне клетки присоединяется к одному из внеклеточных доменов и прилагает усилие, которое отделяет домен GAIN от другой части — пептида, называемого «привязанным агонистом» (TA), который остается прикрепленным к трансмембранному домену. Когда TA отделяется, он может двигаться и взаимодействовать с трансмембранным доменом, инициируя сигнализацию. Однако растущий объем биохимических исследований показывает, что многие функции aGPCR не зависят от этого механизма, требующего расщепления.

Отделение домена GAIN также необратимо, что оставляет рецептор в постоянном «включенном» состоянии, что может быть вредно для клетки. Иногда клетке может потребоваться включать и выключать рецептор, поэтому должен существовать какой-то другой способ.

Лаборатория Арач в течение 11 лет работала над раскрытием структуры полноразмерных aGPCR, надеясь понять, как внешние сигналы передаются снаружи внутрь клетки. Эти рецепторы печально известны тем, что их трудно полностью понять, потому что внеклеточные домены имеют множество сложных и различных конфигураций.

Выпускник Шимон Кордон, доктор философии, возглавил новое исследование, продолжив работу предыдущего студента по получению изображений полной структуры Latrophilin3 — aGPCR, участвующего в развитии синапсов мозга, который также связывают с синдромом дефицита внимания и гиперактивности и несколькими видами рака.

Кордон и Арач оптимизировали получение и очистку Latrophilin3 и сделали первоначальные изображения с помощью электронной микроскопии, но столкнулись с многочисленными трудностями в получении качественной картины рецептора. Затем они совместно с Энтони Коссиакоффом, доктором философии, создали синтетическое антитело, которое могло прикрепляться к aGPCR.

Это антитело стабилизировало внеклеточный домен и придало ему отличительную форму, что позволило Кордону зафиксировать полную структуру рецептора с помощью крио-электронной микроскопии (крио-ЭМ) — метода визуализации, который замораживает клетки и молекулы для получения снимка. Полученные изображения стали первой известной структурой полноценного aGPCR.

Изображения крио-ЭМ показали, что домен GAIN рецептора занимал несколько различных позиций по отношению к поверхности клетки. Каждая разная позиция домена GAIN создавала различную точку контакта между ним и трансмембранным доменом.

Исследователи задались вопросом, могут ли эти различные конфигурации быть другим способом коммуникации с клеткой без полного отделения домена GAIN. Поэтому они сотрудничали с Резой Вафабахшем, доктором философии, и Кристиной Чеховой, доктором философии, из Северо-Западного университета, чтобы провести вторую серию экспериментов, отслеживающих движения внеклеточных доменов.

Чехова и команда использовали метод FRET (Förster resonance energy transfer), который может измерять перенос энергии между близко расположенными молекулами. Прикрепив флуоресцентные метки к разным точкам как на внеклеточном, так и на трансмембранном доменах aGPCR, они могли отслеживать его движения в ответ на силы адгезии, тянущие и толкающие его. То, что они увидели, подтвердило их подозрения о функции различных конфигураций.

«Различные конформационные состояния коррелировали с различной сигнальной активностью рецептора, — сказал Кордон. — Это показывает функциональную значимость этих конформаций для последующей передачи сигнала в клетке». Кордон, защитивший диссертацию в 2024 году, позже получил награду за лучшую диссертацию от Департамента биохимии и молекулярной биологии Чикагского университета за эту работу.

Новый способ активации рецепторов

Арач заявила, что теперь, когда они лучше понимают структуру aGPCR и то, как они работают, они видят потенциал для воздействия на них лекарствами так же, как и на другие рецепторы. Исследователи могли бы создавать антитела, подобные использованным в этом исследовании для стабилизации при визуализации, но спроектированные для манипуляции их активностью. Поскольку aGPCR имеют отличные формы и структуры, эти антитела также могут быть очень точными. С 33 различными aGPCR, уже идентифицированными у человека, возможностей много.

«Это может быть будущим воздействия на адгезионные GPCR, — сказала Арач. — Преимущество этого в том, что внеклеточные домены очень отличаются друг от друга, поэтому вы можете нацеливаться на них препаратом, который не связывается с другими рецепторами и не вызывает нежелательных побочных эффектов».