Cryo-EM-strukturer af nikotinreceptoren kan føre til nye terapier for afhængighed

UT Southwestern forskere offentliggjort i dag i Natur atom-skala tegninger af den mest udbredte klasse af nikotiniske acetylcholin-receptorer i hjernen. En strukturel forståelse af proteinet, findes i neuroner, kan føre til nye måder at behandle nikotinafhængighed fra rygning og damp på.

Tredimensionelle strukturer af nikotinacetylcholinreceptor bestemt af cryo-EM, med tilladelse fra Hibbs Lab. "Når denne receptor binder til enten neurotransmitteren acetylcholin eller til nikotin, det fører til aktivering af neuronen, som derefter sender signaler til andre neuroner, " sagde Dr. Ryan Hibbs, tilsvarende forfatter til undersøgelsen og assisterende professor i neurovidenskab og biofysik ved Peter O'Donnell Jr. Brain Institute ved UT Southwestern. "Denne proces med 'kemisk neurotransmission' ligger til grund for al hurtig kommunikation mellem neuroner. Denne specifikke receptor er tæt forbundet med nikotinafhængighed."

Forskere opnåede højopløsningsstrukturerne ved hjælp af universitetets $22,5 millioner kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) facilitet, hvor prøver hurtigt fryses for at forhindre dannelsen af ​​skadelige iskrystaller og derefter ses ved minus 321 grader Fahrenheit (kryogene temperaturer). UT Southwesterns anlæg - som kører døgnet rundt - er et af verdens bedste faciliteter til kryo-EM strukturel biologi.

To nye aspekter af undersøgelsen får den til at skille sig ud inden for strukturel biologi og neurovidenskab. Først, forskerne afslørede ny biologi om, hvordan receptoren binder nikotin i hjernen, sagde Dr. Hibbs. For det andet er resultaterne relateret til tekniske aspekter af, hvordan proteinet samles.

"Opdagelsen, vi gjorde om forskellige måder, hvorpå nikotin interagerer med denne receptor, kan hjælpe med at designe lægemidler til behandling af nikotinafhængighed og neurodegeneration, " tilføjede han. "Med hensyn til samling af receptoren, Klassiske strukturbestemmelsesteknikker kræver generelt en homogen prøve. Imidlertid, for dette protein, receptoren samles på flere måder, der har vigtige biologiske konsekvenser. For eksempel, en misbalance i forholdet mellem de to underenhedsarrangementer er knyttet til både nikotinafhængighed og medfødt epilepsi."

Proteinet de undersøgte består af fem underenheder, af to typer - α og β. Disse α- og β-underenheder samles i to forskellige forhold til to distinkte komplekser med fem underenheder, en 3α:2β-form og en 2α:3β-form. Komplekser af begge forhold findes i hjernen.

"Vi brugte en antistofmærkningstilgang til at identificere underenheder og overvinde udfordringer i kryo-EM-beregning for at opnå strukturer af begge fem-underenhedskomplekser fra en enkelt prøve. Dette var ikke blevet gjort før og giver en generel tilgang til at bestemme strukturerne af mange andre typer af multisubunit kanaler og receptorer, der har flere måder at samle på, " forklarede Dr. Hibbs, en Effie Marie Cain-stipendiat i medicinsk forskning.

"De to strukturer er sammensat af forskellige forhold mellem α og β underenheder. Ved at bruge et antistof, der kun binder til β underenhederne, vi var i stand til at drille de to strukturer ud fra en prøve - en receptor har to antistoffer bundet, mens den anden har tre bundet, " forklarede hovedforfatter Richard Walsh Jr., en kandidatstuderende på Molecular Biophysics-uddannelsen.

"At være hovedforfatter på et accepteret manuskript er i sig selv en yderst glædelig oplevelse; at være hovedforfatter på en undersøgelse accepteret af Natur føles stadig surrealistisk, " han tilføjede.

Hibbs-laboratoriet var tidligere i stand til at opnå en struktur af et af de to komplekser ved hjælp af røntgenkrystallografi, en første på det tidspunkt på grund af vanskeligheden ved at krystallisere membranproteiner.

"For især membranproteiner, Det er udfordrende at opnå krystaller, der diffrakterer til høj opløsning, hvilket gør cryo-EM særligt kraftfuldt. Vi var tidligere i stand til at opnå en af ​​disse nikotinreceptorunderenhedsarrangementer ved røntgenkrystallografi. Cryo-EM gav os begge arrangementer, fra en enkelt prøve, i højere opløsning, " sagde Dr. Hibbs.