Новое исследование, проведенное учеными из Исследовательского института Скриппса (TSRI), показывает, как разные фармацевтические препараты влияют на "на" или "выключенный" переключение сигнального белка, связанного с астмой, ожирением и диабетом 2 типа.
"Долгосрочная цель – использовать эти знания для открытия новых лекарств," сказал профессор ЦНИИ Дэвид Миллар, старший автор исследования.
Исследование, недавно опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, было результатом тесного сотрудничества лаборатории Миллара; лаборатория лауреата Нобелевской премии Курта Вютриха, Сесила Х. и Ида М. Зеленый профессор структурной биологии ЦНИИ; и лаборатория Раймонда С. Стивенс, ранее работавший в TSRI, а ныне проректор-профессор биологических наук и химии и директор Института Бриджа в Университете Южной Калифорнии (USC).
Решающее значение для болезни
Исследователи сосредоточились на β2-адренергическом рецепторе (β2AR), белке, который находится на клеточной мембране, где он связывает внешние молекулы и посылает сигналы внутрь клетки. β2AR принадлежит к классу белков, называемых рецепторами, связанными с G-белками (GPCR). Известно более 800 человеческих GPCR, и они связаны с заболеваниями сердца, болезни Паркинсона и болезни Хантингтона. Известно, что β2AR играет роль в развитии астмы, ожирения и диабета 2 типа.
Фактически, GPCR настолько важны для болезни, что более 35 процентов фармацевтических препаратов нацелены на эти рецепторы.
В предыдущих исследованиях ученые использовали метод, называемый рентгеновской кристаллографией, чтобы уловить "снимки" β2AR в его активной и неактивной формах. Хотя статические изображения давали представление о структуре белка, ученые не могли показать, как часто активируется рецептор или как разные молекулы лекарства определяют время, проведенное в каждом состоянии.
"Мы хотели углубиться и изучить динамику этого рецептора в молекулярных деталях, используя современные методы работы с одной молекулой," сказал Раджан Ламичхейн, научный сотрудник TSRI и соавтор нового исследования с Джеффри Дж. Лю из Института биохимии Макса Планка (ранее TSRI).
Сюрприз
В новом исследовании ученые включили β2AR в "нанодиски," маленькие частицы, которые имитируют нативную клеточную мембрану, но содержат только одну молекулу рецептора. Они пометили участок рецептора флуоресцентным зондом и отслеживали интенсивность флуоресценции с течением времени с помощью сложной системы микроскопа. Зонд загорается, когда рецептор был неактивен, и гаснет, когда активен, что дает исследователям возможность отслеживать активацию в режиме реального времени.
Исследователи протестировали реакцию β2AR на формотерол, противоастматический препарат, известный как "агонист," или активатор передачи сигналов β2AR, и к лекарству ICI 118,551, обратному агонисту, подавляющему передачу сигналов.
Мерцание зонда позволило выявить несколько важных деталей о β2AR. Во-первых, исследователи обнаружили, что рецептор естественным образом колеблется между активным и неактивным состояниями в отсутствие какого-либо лекарства – феномен, о котором ученые всегда подозревали, но не могли доказать напрямую. Отслеживание поведения отдельных рецепторных молекул впервые выявило эти колебания и установило, как долго рецептор остается в каждом состоянии. Во-вторых, присутствие формотерола не только быстрее активирует β2AR, но и не дает β2AR так быстро деактивироваться.
"Это было сюрпризом," сказал Миллар, описывая формотерол "близнец" функции.
Исследователи также увидели, что ICI 118,551 вызывал более быструю деактивацию β2AR. Вместе полученные данные объясняют, почему β2AR проявляет некоторую сигнальную активность даже в отсутствие каких-либо молекул лекарственного средства и почему различные препараты могут либо стимулировать, либо ингибировать передачу сигналов.
Исследователи заявили, что с новой технологией флуоресценции одиночных молекул следующим шагом будет поиск молекул, которые вызывают такое же поведение, как формотерол и ICI 118,551 – возможно, молекулы, которые могли бы воздействовать на разные GPCR и влиять на различные заболевания.