Лекарства от муковисцидоза: новые изображения раскрывают механизм их действия
Исследователи определили структуру мутировавшего белка, вызывающего муковисцидоз, и показали, как лекарства-корректоры связываются с ним, стабилизируя его.
Более десяти лет назад были открыты низкомолекулярные препараты для лечения муковисцидоза — генетического заболевания, повреждающего легкие. Первый препарат компании Vertex, ивакафтор, был одобрен в 2012 году. Лекарства значительно увеличили продолжительность и качество жизни пациентов, улучшив функцию легких. Ученые знали, что препараты каким-то образом корректируют дефектный белок, но механизм их действия оставался неизвестным.
Команда Дзюэ Чэнь из Рокфеллеровского университета обнаружила, как работают эти молекулы. Они связываются со структурным дефектом белка во время его биогенеза и стабилизируют его, увеличивая шансы на успешный выход белка к поверхности клетки. Результаты опубликованы 6 января 2022 года в журнале Cell.
Научная загадка
Муковисцидоз вызывается мутациями в белке CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator). В норме этот белок формирует канал для прохождения ионов хлорида через клеточную мембрану. При мутациях CFTR работает неправильно или почти отсутствует, что снижало среднюю продолжительность жизни пациентов до 30 лет и менее. Препараты двух типов — потенциаторы и корректоры — почти удвоили этот срок.
CFTR — необычный представитель семейства ABC-транспортеров, так как является не насосом, а каналом, позволяющим молекулам пассивно двигаться по градиенту концентрации.
Технический прорыв
Определить структуру CFTR долгое время было невозможно из-за его нестабильности и подвижных участков. Стандартный метод рентгеноструктурного анализа не подходил. Прорывом стала криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ), позволившая замораживать образцы и получать детальные изображения структуры белка.
Сначала команда Чэнь использовала крио-ЭМ для изучения структуры CFTR в закрытом и открытом состояниях (публикации в Cell в 2016 и 2017 гг.). Затем они обнаружили, что препараты-потенциаторы связываются с белком, удерживая его канал открытым (Science, 2019).
Неожиданная полость
В новой работе Чэнь и постдок Карел Федорчук исследовали препараты-корректоры, улучшающие фолдинг (сворачивание) мутировавшего белка CFTR.
Сделав тысячи снимков на электронном микроскопе, ученые обнаружили в 3D-структуре CFTR неожиданную полость. Препараты-корректоры точно встраиваются в эту "дыру", стабилизируя белок и обеспечивая его правильное сворачивание.
CFTR — крупный сложный белок из пяти доменов. Клетке требуется до двух часов, чтобы синтезировать и правильно свернуть его. Обнаруженная полость, присутствующая даже в нормальном белке, делает его нестабильным и склонным к деградации. В лучшем случае 80% и более производимого клеткой нормального CFTR никогда не достигает мембраны.
Мутации при муковисцидозе усугубляют проблему, повышая нестабильность белка настолько, что практически ни одна его копия не попадает в нужное место. Связываясь с полостью, препарат стабилизирует первую синтезированную часть белка, предотвращая его деградацию. Это дает клетке достаточно времени, чтобы завершить синтез и правильное сворачивание остальной части белка.
Это открытие подтверждает идею 30-летней давности о том, что полости в белках делают их нестабильными, и объясняет, почему один препарат может помочь пациентам с разными мутациями.