Hvordan en formskiftende receptor påvirker cellevækst

Receptorer, der findes på celleoverflader, binder sig til hormoner, proteiner og andre molekyler, hvilket hjælper celler med at reagere på deres miljø. MIT-kemikere har nu opdaget, hvordan en af ​​disse receptorer ændrer sin form, når den binder sig til sit mål, og hvordan disse ændringer udløser celler til at vokse og proliferere.

Denne receptor, kendt som epidermal vækstfaktorreceptor (EGFR), er overudtrykt i mange typer kræft og er målet for flere kræftlægemidler. Disse lægemidler virker ofte godt i starten, men tumorer kan blive resistente over for dem. En bedre forståelse af disse receptorers mekanisme kan hjælpe forskerne med at designe lægemidler, der kan undgå den resistens, siger Gabriela Schlau-Cohen, lektor i kemi ved MIT.

"At tænke på mere generelle mekanismer til at målrette mod EGFR er en spændende ny retning og giver dig en ny vej til at tænke over mulige terapier, der måske ikke udvikler resistens så let," siger hun.

Schlau-Cohen og Bin Zhang, Pfizer-Laubachs karriereudviklingsassistent i kemi, er seniorforfatterne til undersøgelsen, som i dag vises i Nature Communications . Artiklens hovedforfattere er MIT kandidatstuderende Shwetha Srinivasan og tidligere MIT postdoc Raju Regmi.

Receptorer, der ændrer form

EGF-receptoren er en af ​​mange receptorer, der hjælper med at kontrollere cellevækst. Findes på de fleste typer pattedyrsepitelceller, som beklæder kropsoverflader og organer, og kan reagere på flere typer vækstfaktorer ud over EGF. Nogle typer kræft, især lungekræft og glioblastom, overudtrykker EGF-receptoren, hvilket kan føre til ukontrolleret vækst.

Som de fleste cellereceptorer spænder EGFR over cellemembranen. En ekstracellulær region af receptoren interagerer med dens målmolekyle (også kaldet en ligand); en transmembransektion er indlejret i membranen; og en intracellulær sektion interagerer med cellulært maskineri, der styrer vækstveje.

Den ekstracellulære del af receptoren er blevet analyseret i detaljer, men de transmembrane og intracellulære sektioner har været svære at studere, fordi de er mere uordnede og ikke kan krystalliseres.

For omkring fem år siden satte Schlau-Cohen sig for at prøve at lære mere om de mindre kendte strukturer. Hendes team indlejrede proteinerne i en speciel type selvsamlende membran kaldet en nanodisk, som efterligner cellemembranen. Derefter brugte hun enkeltmolekyle FRET (fluorescensresonansenergioverførsel) til at studere, hvordan receptorens konformation ændres, når den binder til EGF.

FRET bruges almindeligvis til at måle små afstande mellem to fluorescerende molekyler. Forskerne mærkede den nanodiske membran og enden af ​​den intracellulære hale af proteinet med to forskellige fluoroforer, som gjorde det muligt for dem at måle afstanden mellem proteinhalen og cellemembranen under en række forskellige omstændigheder.

Til deres overraskelse fandt forskerne ud af, at EGF-binding førte til en større ændring i receptorens konformation. De fleste modeller for receptorsignalering involverer interaktion mellem flere transmembrane helixer for at frembringe storstilede konformationelle ændringer, men EGF-receptoren, som kun har et enkelt spiralformet segment i membranen, ser ud til at gennemgå en sådan ændring uden at interagere med andre receptormolekyler.

"Idéen om, at en enkelt alfa-helix kunne transducere en så stor konformationel omarrangering var virkelig overraskende for os," siger Schlau-Cohen.

Molekylær modellering

For at lære mere om, hvordan denne formændring ville påvirke receptorens funktion, gik Schlau-Cohens laboratorium sammen med Zhang, hvis laboratorium laver computersimuleringer af molekylære interaktioner. Denne form for modellering, kendt som molekylær dynamik, kan modellere, hvordan et molekylært system ændrer sig over tid.

Modelleringen viste, at når receptoren binder til EGF, står det ekstracellulære segment af receptoren lodret, og når receptoren ikke er bundet, ligger den fladt mod cellemembranen. I lighed med en hængsellukning, når receptoren falder fladt, vipper den transmembransegmentet og trækker det intracellulære segment tættere på membranen. Dette blokerer den intracellulære region af proteinet fra at være i stand til at interagere med det maskineri, der er nødvendigt for at starte cellevækst. EGF-binding gør disse regioner mere tilgængelige, hvilket hjælper med at aktivere vækstsignalveje.

Forskerne brugte også deres model til at opdage, at positivt ladede aminosyrer i det intracellulære segment, nær cellemembranen, er nøglen til disse interaktioner. Da forskerne muterede disse aminosyrer og skiftede dem fra ladede til neutrale, aktiverede ligandbinding ikke længere receptoren.

"Der er en god sammenhæng, vi kan se mellem simuleringen og eksperimentet," siger Zhang. "Med simuleringerne af molekylær dynamik kan vi finde ud af, hvilke aminosyrer der er essentielle for koblingen, og kvantificere forskellige aminosyrers rolle. Så viste Gabriela, at disse forudsigelser viste sig at være korrekte."

Forskerne fandt også ud af, at cetuximab, et lægemiddel, der binder til EGF-receptoren, forhindrer denne konformationsændring i at forekomme. Cetuximab har vist en vis succes i behandlingen af ​​patienter med tyktarms- eller hoved- og halskræft, men tumorer kan blive resistente over for det. At lære mere om mekanismen for, hvordan EGFR reagerer på forskellige ligander, kan hjælpe forskerne med at designe lægemidler, der kan være mindre tilbøjelige til at føre til resistens, siger forskerne.