Учёные «сняли на видео» активацию важного рецептора
Международная команда исследователей смогла «заснять» процесс активации важного рецептора. Они замораживали участвующие молекулы в разные моменты времени и фотографировали их под электронным микроскопом. Затем эти статичные кадры удалось выстроить в последовательность, показывающую, какие пространственные изменения претерпевает рецептор при активации.
Исследователи из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге (FAU) внесли существенный вклад в работу. Результаты, опубликованные в журнале Nature, могут в среднесрочной перспективе привести к разработке более эффективных лекарств.
Клетки общаются друг с другом с помощью сигнальных молекул, которые они распознают с помощью специальных рецепторов, встроенных в клеточную мембрану. Особенно важную группу составляют GPCRs (G-белковые сопряжённые рецепторы).
Когда подходящая сигнальная молекула связывается с внешней частью рецептора, запускается сложная цепь реакций. Рецептор меняет свою пространственную структуру, активируя присоединённый к нему с внутренней стороны клетки G-белок. Этот белок отделяется и затем, например, путём диффузии перемещается к ферменту в клетке, чтобы регулировать его, или включает/выключает транскрипцию определённых генов.
«У человека более 800 GPCRs, каждый из которых специализируется на определённом сигнале, — объясняет профессор Петер Гмайнер. — В нашем исследовании мы сосредоточились на одном конкретном GPCR — β2-адренорецепторе. Он активируется адреналином и участвует, например, в регуляции функций сердца и лёгких».
Это делает его важной мишенью для разработки лекарств от астмы или сердечной недостаточности. «Для этого необходимо всесторонне понимать процесс активации рецептора и присоединённого к нему G-белка», — подчёркивает Гмайнер.
Опубликованные результаты могут внести значительный вклад. Международной команде под руководством Георгиоса Скиниотиса (Стэнфордский университет) и с участием Брайана Кобилки (Стэнфордский университет), Петера Хильдебранда (Лейпцигский университет и Charité Berlin) и Петера Гмайнера удалось шаг за шагом разобрать процесс активации рецептора.
Исследователи использовали специальный метод — криогенную электронную микроскопию с временны́м разрешением. Комплекс, состоящий из рецептора и G-белка, шоково замораживали при -150 °C вскоре после активации.
«Под микроскопом мы получаем серию различных кадров, — объясняет Гмайнер. — Разных, потому что тысячи наблюдаемых молекул никогда не полностью синхронны. Из-за их естественной подвижности одни замораживаются на чуть более ранней стадии активации, другие — на более поздней».
Это «шоковое замораживание» можно повторять в разное время после активации. Полученные изображения позволяют реконструировать процесс шаг за шагом на атомном уровне.
«В нашей работе мы в основном сосредоточились на изменениях пространственной структуры G-белка, вызванных связыванием лекарства с β2-адренорецептором», — говорит Гмайнер. Его группа внесла ключевой вклад в успех проекта: им удалось создать своего рода «супер-адреналин», который особенно прочно связывается с β2-рецептором.
«Эта прочная связь стабилизирует комплекс рецептора и G-белка», — поясняет учёный. Обычно эту задачу выполняют специальные адаптерные белки. Они действуют как молекулярная «жвачка», удерживая комплекс вместе.
«Однако они делают свою работу так хорошо, что под криоэлектронным микроскопом не видно промежуточных стадий», — отмечает Гмайнер. Благодаря его «супер-адреналину» исследователи смогли обойтись без адаптерных белков. Комплекс рецептор–G-белок был достаточно стабилен и без них. «Только тогда мы смогли сделать движение видимым», — добавляет он.
Результаты могут облегчить разработку новых лекарств, и не только воздействующих на β2-адренорецепторы. GPCRs играют центральную роль в борьбе с болезнями. Почти треть одобренных сегодня лекарств влияет на функцию этих рецепторов, усиливая или ослабляя передачу сигналов в клетки.
Криогенная электронная микроскопия с временны́м разрешением должна облегчить создание высокоэффективных препаратов, точно настроенных на конкретную задачу и потому с меньшими побочными эффектами, надеется Гмайнер. Для этого необходимо полное понимание молекулярных процессов, происходящих с рецепторами и их G-белками. Нобелевская премия, полученная несколько лет назад одним из участников текущей работы, Брайаном Кобилкой, показывает важность этого направления. Он первым определил трёхмерную структуру GPCR с атомарным разрешением в трёх разных состояниях с помощью рентгеноструктурного анализа. В тех экспериментах также использовалось лекарство, разработанное в лаборатории Петера Гмайнера.