Forskning åbner porte for bedre målretning mod stoffer

Forskere ved Texas Tech University Health Sciences Center (TTUHSC) Department of Cell Physiology and Molecular Biophysics og Center for Membrane Protein. Forskning har bestemt den kinetiske cyklus af en kaliumkanal ved atomopløsning. Kaliumkanaler er vigtige for den normale funktion af den menneskelige krop. Forskningsstudiet, "Gating Cycle af en K+ kanal ved atomisk opløsning, " blev omtalt i novemberudgaven af eLife .

Luis G. Cuello, Ph.D., en lektor i TTUHSC Institut for Cellefysiologi og Molekylær Biofysik, sagde gennem denne forskning, vi kender nu hvert enkelt atom i dette molekyle, og hvad det gør.

Ionkanaler er placeret i hver levende celle i den menneskelige krop. De medierer iontransport ind og ud af cellerne for at signalere mange fysiologiske processer. Neuroner i nervesystemerne er afhængige af ionkanaler for celle-til-celle kommunikation. Kaliumkanaler er membranproteiner, der skaber en vandig pore, som reguleres af to indre porte, der arbejder på en samordnet måde for at tillade strømmen af ​​kaliumioner ud af cellerne.

"I den perfekte verden, nye og sikrere terapeutiske lægemidler vil kun interagere med en given målrettet ionkanal, men der er tusindvis af proteiner i menneskekroppen, hver af dem udfører en anden funktion, og ikke-specifik binding af aktuelt tilgængelige terapeutiske lægemidler er hovedårsagen til de uønskede bivirkninger ved lægemiddelbehandling, " sagde Cuello. "Når en læge giver dig medicin, det interagerer ikke kun med en bestemt type protein, men med mange andre, som giver bivirkninger. Imidlertid, at vide, hvordan en kaliumkanal bevæger sig ved atomopløsning, vil give os mulighed for at målrette mod specifikke pletter i kanalstrukturen for at rette op på en given sygdom, samtidig med at uønskede bivirkninger mindskes. Dette er vigtigt, fordi den farmaceutiske industri investerer milliarder af dollars hvert år i opdagelsen af ​​mere potente og sikrere terapeutiske lægemiddelmolekyler med færre bivirkninger, der kan korrigere kaliumkanalernes dysfunktion (kaliumkanalernes funktionsfejl kan forårsage epilepsi, hjertesygdomme, kroniske smerter og diabetes)."

Kaliumkanaler skal åbne og lukke for at udføre deres normale fysiologiske funktion i den menneskelige krop, men mutationer i det menneskelige DNA kan gøre en kanal altid åben eller lukket. Denne forskning vil tillade skabelsen af ​​nye lægemiddelmolekyler, der kan fungere som kaliumkanalåbnere eller -hæmmere.

Den enkleste beskrivelse af gating-cyklussen af ​​poredomænet af en K+-kanal kræver mindst fire distinkte kinetiske tilstande. KcsA, en bakteriel kaliumkanal, blev klonet for mange år siden. I 2003, Roderick MacKinnon blev tildelt Nobelprisen i kemi for sit arbejde med de atomare opløsningsstrukturer af ionkanaler, blandt dem to forskellige kinetiske tilstande af den lukkede konformation af KcsA. Imidlertid, det tog mere end et årti at bestemme strukturen af ​​KcsA i åben tilstand.

Cuello, sammen med D. Marien Cortes, også fra TTUHSC Institut for Cellefysiologi og Molekylær Biofysik, og Eduardo Perozo, Ph.D., en professor fra University of Chicago, bestemte to åbne tilstandskonformationer af KcsA, som sammen med de to tidligere strukturer af de lukkede stater fra Mackinnons Laboratory, rekapitulere, hvordan KcsA bevæger sig ved atomopløsning. Intet andet laboratorium har nogensinde produceret den kinetiske cyklus af en kaliumkanal på atomniveau. I det cellulære miljø, kaliumkanaler er højt specialiserede proteiner, der skal antage forskellige konformationer for at udføre deres biologiske funktion. Disse molekyler ændrer deres konformation på en cyklisk måde og vender altid tilbage til den oprindelige eller hvilende tilstand - dette er den kinetiske cyklus.

I 2010 Cuello og hans forskerhold skabte en mutantkanal, der altid var åben, og selvom de bestemte strukturen af ​​denne konformation, opløsningen var meget lav, hvilket gav et ekstremt sløret billede af KcsA i åben tilstand. I denne nye forskningsartikel, Cuello og hans laboratorium låste åben KcsA ved at konstruere disulfidbindinger, der vil holde kanalen åben og bestemte to nye kinetiske mellemliggende snapshots i meget høj opløsning. den åben-ledende og den åben-inaktiverede tilstand, som sammen med de eksisterende strukturer for C/O (høj K+ -struktur) og C/I (lav K+ -struktur) konformationerne løst af Mackinnon Lab, genskabe en kinetisk cyklus for en kaliumkanal ved atomare detaljer.

"Vi vidste, om vi kunne fange kanalen i aktion, mens du er i bevægelse, vi kunne have noget, der ligner en film, der skildrer åbning og lukning af kanalen på atomniveau, " sagde Cuello. "Da jeg var ung, Jeg husker de der tegneserier, hvor man ved at vende siderne kunne se en lille tegning bevæge sig. Vi har gjort præcis det samme her, men med et molekyle og ved atomopløsning. KcsA indeholder to forskellige typer porte, aktiverings- og inaktiveringsportene. Denne undersøgelse viser, hvordan de arbejder på en samordnet måde for at regulere strømmen af ​​kaliumioner, der kommer ud af cellen."