Ny struktur af nøgleprotein rummer spor for bedre lægemiddeldesign

Forskere ved The Scripps Research Institute (TSRI) har kigget dybt ind i hjertet af et nøgleprotein, der bruges i lægemiddeldesign, og opdaget dynamiske strukturelle funktioner, der kan føre til nye måder at målrette sygdomme på. Proteinet, kaldet A _2A adenosinreceptor (A _2a AR), er medlem af G-proteinkoblede receptorfamilien (GPCR), som er målene for omkring 40 procent af alle godkendte lægemidler.

Den nye, mere detaljeret billede af A _2a AR's signalmekanisme afslører nøgledele af dens indre funktion, herunder en aminosyre, der fungerer som en "omskifter" til at styre signalering over cellemembranen.

"Denne grundlæggende viden er potentielt nyttig til at forbedre lægemiddeldesign, siger nobelpristageren Kurt Wthrich, PhD, Cecil H. og Ida M. Green professor i strukturel biologi ved TSRI og seniorforfatter af undersøgelsen.

Resultaterne blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Celle .

Billedteknik afslører, hvordan protein ændrer form

Alle menneskelige celler indeholder A _2a AR og andre GPCR'er indlejret i deres plasmamembran. Mere end 800 GPCR'er er blevet opdaget i den menneskelige krop, og hver har en rolle i at regulere en kropsfunktion. For eksempel, EN _2a AR regulerer blodgennemstrømning og inflammation og medierer virkningerne af koffein. EN _2a AR er også et valideret mål til behandling af Parkinsons sygdom og et relativt nyt mål til målretning mod cancer.

"GPCR'er gør næsten alt, hvad du kan forestille dig, " siger Wthrich. "Men i lang tid, lægemiddeldesign blev udført uden at vide, hvordan GPCR'er så ud."

Til den nye undersøgelse, forskerne sigtede efter bedre at forstå forholdet mellem A _2a AR-funktion og dynamiske ændringer i dens struktur for at hjælpe med at informere lægemiddeldesign.

Forskningen byggede på tidligere undersøgelser, hvor forskere brugte en billedbehandlingsteknik kaldet røntgenkrystallografi til at bestemme A _2a AR's tredimensionelle struktur. Billederne viste, at A _2a AR ligner en kæde, der krydser cellemembranen og har en åbning på den side, der vender ud af cellen. Den region af GPCR-strukturen, der stikker ud af membranen, interagerer med lægemidler og andre molekyler for at signalere til partnerproteiner inde i cellen.

Selvom krystalstrukturer gav en nøgleoversigt over receptorens form i inaktive og aktiv-lignende tilstande, de kunne ikke vise bevægelse og ændringer i strukturen, når A _2a AR møder nye forpligtende partnere, såsom lægemiddelkandidater. Kort sagt, forskerne i den nye undersøgelse havde brug for at undersøge, hvorfor A _2a AR fungerer som den gør.

For at løse dette problem, forskerne brugte en teknik kaldet nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi, som skaber stærke magnetiske felter for at lokalisere probernes positioner i en prøve. Wthrich er en verdenskendt leder inden for NMR-området og vandt Nobelprisen i kemi i 2002 for banebrydende arbejde inden for NMR for at studere strukturerne af biologiske molekyler. Med NMR, forskere kan bestemme strukturerne af proteiner og studere deres dynamiske egenskaber i opløsning ved fysiologiske temperaturer - den måde, de eksisterer i den menneskelige krop.

I arbejde ledet af TSRI's Matthew Eddy, PhD, første forfatter til den nye undersøgelse, forskerne brugte NMR til at observere A _2a AR i mange forskellige konformationer, kaste lys over, hvordan det ændrer form på overfladen af ​​menneskelige celler som reaktion på lægemiddelbehandlinger.

Vigtigt, NMR lod holdet visualisere ændringer i den interne arkitektur af A _2a AR. Dette førte dem ud over tidligere NMR-undersøgelser med løsning, som fokuserede på den teknisk mindre krævende observation af NMR-observerbare prober knyttet til fleksible dele af GPCR'er, for det meste placeret ved eller nær overfladen af ​​receptoren. Tilgangen i det nye studie gjorde det muligt for forskere at følge virkningerne af lægemiddelbinding på den ekstracellulære overflade på ændringer i proteinstruktur og dynamik på den intracellulære overflade - det strukturelle grundlag for signaloverførsel - på tværs af hjertet af GPCR.

Det var som om forskerne havde set en bil, og med NMR, de kunne endelig inspicere dens motor.

At genoverveje, hvordan vi designer lægemidler

To detaljer i A _2a AR's struktur gav forskerne indsigt i, hvordan fremtidige lægemidler kunne manipulere receptoren. Et nøglefund var, at udskiftning af en bestemt aminosyre i receptorens centrum ødelagde receptorens evne til at sende signaler ind i cellen.

"Med dette fund, vi kan sige 'A-ha! Det er denne ændring i strukturen, der dræber signalaktiviteten.' Måske kan vi lave en ændring i et lægemiddel for at overvinde denne grænse, " siger Wthrich.

Forskerne afslørede også aktiviteten af ​​en "vippekontakt" i A _2a AR. Tidligere undersøgelser antydede, at en af ​​tryptofan-aminosyrerne i A _2a AR vipper op og ned sammen med A _2a AR's aktivitet. Med NMR, forskerne observerede direkte denne unikke tryptofan, da den ændrede retning som reaktion på forskellige lægemidler. Kemikere kunne potentielt modificere lægemidler for at manipulere denne kontakt og kontrollere A _2a AR-signalering.

Forskerne understreger, at denne nye undersøgelse er potentielt relevant for en stor del af den store familie af GPCR'er. Faktisk, strukturelle detaljer fra denne undersøgelse kunne gælde for mere end 600 "klasse A" GPCR'er i vores kroppe.

Ud over Wthrich og Eddy, forfatterne til undersøgelsen, "Allosterisk kobling af lægemiddelbinding og intracellulær signalering i A _2a Adenosin receptor, " were Tatiana Didenko and Pawel Stanczak of The Scripps Research Institute; Reto Horst of The Scripps Research Institute and Pfizer Worldwide Research and Development; Zhan-Guo Gao and Kenneth A. Jacobson of the National Institutes of Health; and Ming-Yue Lee, Kyle M. McClary, Gye Won Han, Martin Audet, Kate L. White and Raymond C. Stevens of the University of Southern California.