Первые структурные изображения NMDA-рецептора в действии помогут разработке лекарств
Структурные биологи из Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор и Исследовательского кампуса Джэнелия / Медицинского института Говарда Хьюза получили снимки активации важного типа рецепторов клеток мозга. Дисфункция этого рецептора связана с рядом неврологических заболеваний, включая болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, депрессию, эпилепсию, шизофрению, аутизм и повреждения, связанные с инсультом.
Под руководством доцента CSHL Хиро Фурукавы исследовательская группа получила изображения NMDA (N-метил-D-аспартатного) рецептора в активном, неактивном и ингибированном состояниях. Понимание того, как активируются NMDA-рецепторы, критически важно для разработки новых терапевтических соединений.
NMDA-рецепторы встроены в мембрану многих нервных клеток мозга и участвуют в передаче сигналов между клетками, что необходимо для основных функций мозга, включая обучение и формирование памяти. Структурно рецептор состоит из различных белковых сегментов, называемых доменами, которые вместе напоминают воздушный шар. Верхняя, похожая на шар часть состоит из амино-концевого домена (ATD); из внешней поверхности клетки выступает лиганд-связывающий домен (LBD); а нижняя, похожая на корзину часть рецептора, называемая трансмембранным доменом (TMD), опускается внутрь клетки.
Активация NMDA-рецептора требует связывания нейромедиаторов в определенных участках LBD. Это связывание вместе со структурной перестройкой ATD запускает открытие ионного канала, образованного TMD. Это молекулярное событие заставляет заряженные атомы (ионы) поступать в клетку. Когда это происходит во многих каналах одновременно, генерируется электрический ток, который быстро распространяется по нейрону и вызывает высвобождение нейромедиаторов. Эти химические сигналы, в свою очередь, связываются с рецепторами соседних клеток.
Несмотря на накопленные знания о структуре NMDA-рецептора и его различных компонентах, точные детали структурных движений, ведущих к открытию ионного канала, ранее не описывались, и механизм активации рецептора оставался неясным.
Исследователи объединили две молекулярные методы визуализации — рентгеновскую кристаллографию и криоэлектронную микроскопию одиночных частиц — и наблюдали структуры NMDA-рецептора в трех конкретных конфигурациях: активном, неактивном и ингибированном состояниях.
Каждая из этих конфигураций достигалась связыванием разных молекул с рецептором. Например, для активного состояния требовалось связывание нейромедиаторов глицина и глутамата, тогда как связывание соединения ифенпродила приводило к ингибированному состоянию, при котором канал остается закрытым. Исследователи использовали эти молекулярные структуры, опубликованные в Nature, чтобы понять, как различные субдомены рецептора перестраиваются при переходе из неактивного в активное состояние.
Наложение кристаллических структур рецептора в каждом из трех функциональных состояний показало, какие компоненты движутся — обычно слегка поворачиваясь относительно друг друга — при открытии ионного канала. Исследователи наблюдали, что активация требовала открытия двулопастной архитектуры одного из двух субдоменов ATD и изменения ориентации ATD в целом. Эти изменения приводят к дополнительным поворотам в различных точках как ATD, так и LBD, заставляя пору ионного канала открываться, подобно открытию затвора фотоаппарата.
Изучение того, как компоненты NMDA-рецептора движутся во время активации и инактивации, может помочь ученым создавать компьютерные симуляции для прогнозирования того, как структуры различных лекарственных молекул могут влиять на эти движения. «Мы надеемся, что это новое открытие поможет фармакологам разработать более эффективные терапевтические соединения с минимальными побочными эффектами», — говорит Фурукава.
Статья «Activation of NMDA receptors and the mechanism of inhibition by ifenprodil» опубликована онлайн в Nature. Авторы: Нами Таджима, Эркан Каракаш, Тимоти Грант, Норико Симоровски, Рубен Диас-Авалос, Николаус Григорьефф и Хиро Фурукава.