Billedteknik viser molekylært maskineri på arbejde

Nye billeddannelsesmetoder, der gør det muligt for forskere at spore de individuelle proteinmolekyler på overfladen af ​​celler, er blevet udviklet af Weill Cornell Medicines efterforskere. Resultaterne giver en hidtil uset indsigt i, hvordan celler sanser og reagerer på deres omgivelser.

G-protein-koblede receptorer (GPCR'er) er proteiner, der befinder sig i den cellulære membran og videresender signaler ind i cellen for at regulere fundamentale aspekter af menneskets fysiologi. Signalerne modtaget gennem GPCR'er omfatter alt fra lys, som aktiverer proteinerne i cellerne, der muliggør syn, til kemikalier såsom neurotransmittere, der regulerer humør, til signaler, der udløser smerter. Næsten halvdelen af ​​alle klinisk anvendte lægemidler virker ved at målrette forskellige GPCR'er.

"Disse proteiner er afgørende for alle aspekter af menneskelig fysiologi, " sagde co-senior studie forfatter Scott Blanchard, professor i fysiologi og biofysik ved Weill Cornell Medicine. "Vi skal vide, hvordan GPCR'er genkender alle disse signaler, hvordan de behandler signalerne og hvordan de transmitterer informationen ind i cellen for at påkalde en specifik handling. Kun ved at gøre det vil vi være i stand til at udvikle nye generationer af lægemidler, der mere præcist målretter mod disse proteiner og dermed kan hjælpe uden at forårsage sideskade."

I et papir udgivet 7. juni i Natur , Blanchard og kolleger hos Weill Cornell Medicine, Stanford og Columbia Universiteter beskriver et vigtigt fremskridt i denne retning, opnået ved brug af en billeddannelsesteknik kaldet single-molecule Fluorescence Energy Transfer (smFRET), der gjorde det muligt for forskerne at se individuelle GPCR-molekyler, mens de reagerede på adrenalinmolekyler, et hormon, der styrer funktioner, herunder hjerteslag, vejrtrækning og udvidelse af blodkar.

"Vi vidste allerede, at GPCR-molekylet fysisk ændrer sig ved binding af adrenalin, og at denne proces gør det i stand til at binde intracellulære proteiner, " sagde Blanchard. "Hvad vi ikke vidste meget om, er hvordan denne aktiveringsproces faktisk foregår. Og det er den kritiske manglende information, der har begrænset vores forståelse af lægemiddeleffektivitet."

For at give dem mulighed for at se denne proces, Blanchards team udviklede nye reportermolekyler kaldet fluoroforer, der udsender fluorescerende lys og kan knyttes til GPCR for at informere om dens bevægelser, når adrenalin binder. Blanchard-laboratoriet udviklede også et nyt mikroskop, der kan følge disse lysmeddelelser med større nøjagtighed. Forskerne så og registrerede bevægelserne, ved hjælp af kompleks beregning for at lære, hvordan proteinet reagerer på dets interaktioner med adrenalin og med et andet protein i cellen, kaldet heterotrimert G-protein, som registrerer responsen og lader cellen vide, at GPCR er blevet aktiveret af adrenalin.

Resultatet er en høj opløsning, højhastighedsfilm, der afslører detaljerne i de molekylære forhold, der transmitterer adrenalinsignalet gennem GPCR ind i cellen. Dette afslørede for forskerholdet for første gang en række reversible trin i processen, hvorved en aktiveret GPCR interagerer med dets intracellulære G-protein, som aldrig er set før. Dette gjorde det muligt for dem at afslutte deres papir ved at beskrive, hvorfor "kvantitative enkelt-molekyle billeddannelsesundersøgelser vil være afgørende i …. at afgrænse forskellige ligand-afhængige GPCR-signalveje."

"Dette er vigtig indsigt, som ikke ville være mulig uden billeddannelsesteknikkerne, der øger vores forståelse af, hvordan disse molekylære maskiner faktisk fungerer, og hvordan signaler formidles fra ydersiden til indersiden af ​​cellen, sagde Blanchard, hvem er på relaterede patenter, inklusive et patent licenseret til Lumidyne for en af ​​de fluoroforer, der blev brugt i undersøgelsen. Blanchard er medstifter med egenkapital i Lumidyne, en virksomhed, der fokuserer på fluorescensteknologier. "At være i stand til at se GPCR'ernes indre funktioner har enorme implikationer for lægemiddelopdagelse for alt fra smertebehandling til hjertesygdomme og kræft. De kliniske implikationer af denne teknologi kan nå meget langt."