Завдяки міжнародному співробітництву вчені дитячої дослідницької лікарні Сент-Джуд використали наукові дані, фармакологію та структурну інформацію, щоб провести дослідження на атомарному рівні того, як кожна амінокислота в рецепторі, що зв’язує адреналін, сприяє активності рецептора в присутності цього природного ліганду.
Вони виявили, які саме амінокислоти контролюють ключові фармакологічні властивості ліганду. Вивчений рецептор адреналіну є членом сімейства G-білкових рецепторів (GPCR), і це сімейство є мішенню однієї третини всіх препаратів, схвалених Управлінням з контролю за продуктами й ліками (FDA). Таким чином, розуміння того, як GPCR реагують на природні або терапевтичні ліганди, має вирішальне значення для розробки нових методів лікування з точним впливом на активність рецепторів. Робота була опублікована в Science .
Щоб зрозуміти, як працює годинник, можна розібрати його по частинах і вивчити роль кожного компонента в його функції відліку часу. Так само в білку, такому як GPCR, кожна амінокислота може відігравати різну роль у тому, як білок реагує на зовнішній сигнал. Дослідники з St. Jude у співпраці з вченими зі Стенфордського університету, Монреальського університету, Лабораторії молекулярної біології MRC і Кембриджського університету досліджували β2-адренергічний рецептор (β2AR), замінюючи одну амінокислоту за раз, щоб зрозуміти внесок кожної амінокислоти в цьому рецепторі для опосередкування сигнальної відповіді.
«Вчені дізналися, як гени сприяють функціонуванню клітин, порушуючи їх по черзі. Ми запитали: «Чому б нам не взяти цей рівень глибше?» Давайте зрозуміємо, як кожна амінокислота сприяє функціонуванню рецептора, видозмінюючи їх по одній амінокислоті за раз», — сказав співавтор М. Мадан Бабу, доктор філософії , з кафедри структурної біології Сент-Джуда, Центр передового досвіду. «Шляхом еволюції кожна амінокислота в рецепторі була так чи інакше сформована, щоб переконатися, що вона зв’язує природний ліганд, у цьому випадку адреналін, і викликає відповідну фізіологічну реакцію».
Знаходження функції у формі
GPCR – це білки, які охоплюють мембрану клітини та з’єднують зовнішню частину клітини з її внутрішнім середовищем, передаючи зовнішні сигнали всередину клітини. У випадку β2AR адреналін зв’язується з GPCR на зовнішній частині клітини, викликаючи реакцію всередині клітини.
Коли ліганд зв’язується, це викликає зміни у формі рецептора, особливо у внутрішньоклітинній області рецептора, де зв’язується білок G. Місця зв’язування ліганду та білка G знаходяться на протилежних сторонах білка, але з’єднуються через складну мережу амінокислотних контактів, які охоплюють весь білок. Зміни конформації (форми) всередині GPCR активують білок G, щоб ініціювати сигнальну відповідь у клітині. Впливаючи на численні тканини та GPCR, включаючи β2AR, адреналін може викликати реакцію «борись або тікай», наприклад, під час сплеску адреналіну.
Щоб зрозуміти роль кожної амінокислоти в GPCR, Франциска Гейденрайх, доктор філософії, нині Філіпський університет Марбурга, провідний і співавтор цього проєкту, мутувала кожну з 412 амінокислот у β2AR. Потім вона оцінила реакцію кожного мутанта на ліганд адреналін і визначила класичні фармакологічні властивості ефективності та активності. Ефективність вимірює максимальну реакцію, яку може викликати ліганд, а ефективність вимірює кількість ліганду, необхідну для виклику половини максимальної відповіді. Метою було виявити в атомному масштабі, як кожна амінокислота сприяє цим фармакологічним властивостям.
«Дивно, але лише близько 80 із понад 400 амінокислот сприяли цим фармакологічним властивостям. З цих фармакологічно значущих амінокислот лише одна третина була розташована в регіонах, де ліганд або білок G зв’язувався з рецептором», – сказала Гейденрайх.
«Було захоплююче спостерігати, що є деякі амінокислоти, які контролюють ефективність, деякі контролюють потенцію, а є інші, які впливають на обидва», — сказав Бабу. «Це означає, що якщо ви хочете зробити більш сильний або ефективний препарат, тепер ви знаєте, що існують певні залишки, на які повинен впливати новий ліганд».
Дослідники також відзначили, що індивідуальний внесок кожного залишку в ефективність і силу не був однаковим, що означає ще більше можливостей для точного налаштування відповіді на ліки під час розробки нових терапевтичних лігандів.
«Протягом кількох десятиліть вимірювали ефективність численних сигнальних систем ліганд-рецептор. Тепер ми можемо зрозуміти, як конкретні амінокислоти в послідовності білка можуть впливати на ці фармакологічні властивості», — пояснив Бабу.
«Захоплюючим аспектом результатів є те, що потенцію та ефективність можна регулювати незалежно одна від одної за допомогою різних механізмів. Це забезпечує основу для розуміння того, як генетичні варіації впливають на реакцію людей на ліки», – Мішель Був’є, доктор філософії, співавтор із відділу біохімії та молекулярної медицини та генеральний директор Інституту досліджень імунології та раку Монреальського університету.
Красива мережа
Попередні дослідження проілюстрували структуру як активного, так і неактивного станів β2AR. Спираючись на ці знання, науковці розпочали нове дослідження. Вони досліджували, чи можуть дві третини фармакологічно значущих амінокислот, які раніше продемонстрували, що не беруть участь у зв’язуванні ліганду чи G-білка, відігравати роль у переході між активним і неактивним станами рецептора.
«Ми систематично почали розглядати кожен контакт із залишками, унікальний для активного стану, — сказала Гейденрайх, — щоб зрозуміти, чи всі амінокислоти, які утворюють контакт в активному стані, важливі».
Дослідники розробили структуру даних для систематичної інтеграції фармакологічних і структурних даних і показали першу повну картину передачі сигналів GPCR.
«Коли ми відобразили фармакологічні дані на структурі, вони утворили чудову мережу», — сказав Бабу.
Розуміючи передачу сигналів GPCR на атомному рівні, дослідники оптимістично налаштовані, що вони можуть почати досліджувати ще глибше — щоб побачити перехідні підстани між активною та неактивною конформаціями та дослідити конформаційний ландшафт білків.
«Тепер ми знаємо, яких мутантів шукати, тих, які впливають лише на ефективність, потенцію чи на те й інше», — сказав Гейденрайх.
«Тепер ми можемо виконувати розрахунки молекулярної динаміки та експерименти з однією молекулою на цих мутантах, щоб виявити точні механізми, за допомогою яких алостерична мережа впливає на ефективність і потужність для посередництва сигнальної реакції. Це напрямок, який ми прагнемо через дослідницьке співробітництво St. Jude з GPCR, яке включає PI з кількох установ» – Бабу пояснив.
Окрім цих «рушійних» залишків, які беруть участь у опосередкуванні активних контактів із специфічними станами та впливають на фармакологію під час мутації, Бабу та його колеги мають намір дослідити інші ключові висновки, виявлені в цій роботі. Вони спрямовані на вивчення «пасажирських» амінокислот, які, незважаючи на встановлення контактів в активному стані, не впливають на ефективність або потенцію при мутації. Вони також зацікавлені в залишках «модуляторів», які не опосередковують активні зв’язки, пов’язані зі станом, але змінюють фармакологію під час мутації. Їхній науковий підхід до даних, який поєднує структурну інформацію та фармакологічні вимірювання, не обмежується β2AR. Його можна поширити на будь-який GPCR, щоб покращити наше розуміння механіки, що керує цим важливим класом лікарських мішеней.
