Design og genanvendelse af celleceptorer

EPFL -forskere har udviklet en beregningsmetode til modellering og design af proteinallostering, der muliggør præcis og rationel konstruktion og endda genanvendelse af cellereceptorer. Metoden kan være et vigtigt redskab til udvikling af lægemidler.

Kaldes "livets anden hemmelighed, "allostery er en af ​​de mest fundamentale processer inden for biologi og har været et centralt fokus blandt forskere på tværs af det biovidenskabelige spektrum, fra fundamental biologi til lægemiddeludvikling.

Men hvad er allostery? I den endeløse dans af regulering inde i cellen, allostery er den proces, hvorved proteiner - og andre biologiske molekyler - indirekte kan regulere aktiviteten af ​​andre biomolekyler som receptorer.

Nøglen her er "indirekte." Normalt, proteiner og andre ligander vil binde deres målmolekyle, f.eks. en receptor eller et enzym, på en hovedregion kaldet det "aktive websted". En gang bundet, liganden udløser en biokemisk domino, der resulterer i en bestemt effekt.

Men i allostery, ligander binder enzymer eller receptorer på andre steder end det aktive sted, og forårsage forskellige virkninger. For eksempel, allosterisk binding kan reducere eller endda stoppe aktiviteten af ​​en receptor helt. Fordelen her for felter som udvikling af lægemidler er, at allosteriske ligander ikke behøver at konkurrere om det aktive sted, men udøver snarere deres virkninger gennem en "sidedør".

Nu, Patrick Barths laboratorium ved EPFL's Institute of Bioengineering har udviklet en beregningsmetode til forudsigelse og endda design af allosteriske funktioner i proteiner. Udgivet i Naturens kemiske biologi , forskerne viser, at deres metode kan bruges til forudsigeligt at designe signalfunktioner til receptorer, der tilhører den store familie af G-proteinkoblede receptorer (GPCR'er).

Forskerne begyndte med molekylær dynamiksimuleringer, en computerteknik, der modellerer de fysiske bevægelser af atomer og molekyler. Brug dette til at modellere GPCR'er, de var i stand til at identificere allosteriske steder på dopaminreceptoren, en GPCR i nervesystemet, der aktiveres af neurotransmitteren dopamin. Dopamin er involveret i funktioner som motorstyring, motivering, ophidselse, forstærkning, belønning, amning, seksuel tilfredsstillelse, og kvalme.

De anvendte derefter en ny metode udviklet i laboratoriet, der hurtigt kan udvikle sig i silico -proteinsekvenser for specifikke dynamiske og allosteriske egenskaber. Dette gjorde det muligt for forskerne at designe allosteriske varianter af en GPCR:receptorer med små forskelle i placeringen af ​​deres struktur, hvor ligander kan binde allosterisk.

Disse steder kaldes "mikrokontakter" og kan ændre hele opførslen af ​​receptoren. "Vi var i stand til at konstruere nye aminosyremikrokontakter på disse steder, som kan omprogrammere specifikke allosteriske signalegenskaber, «siger Barth.

Forskerne producerede ikke mindre end 36 varianter af dopaminreceptoren D2, som regulerer kognitiv fleksibilitet hos mennesker og er hovedmålet for de fleste antipsykotiske lægemidler. I et tilfælde, forskerne var i stand til helt at genanvende D2 -receptoren til en serotonin biosensor, hovedsageligt gør den modtagelig for en helt ny neurotransmitter.

Efter binding af serotonin, den redesignede receptor viste kraftige signalresponser, der matchede de forudsigelser, forskerne lavede ved hjælp af deres beregningsmetode. Denne nøjagtighed var ikke kun begrænset til den ene variant; forskerne var i stand til at forudsige virkningerne af mere end hundrede kendte mutationer på signalaktiviteterne fra flere GPCR'er.

Endelig, det er vigtigt at bemærke, at den nye metode giver det, som kemikere og bioingeniører kalder "rationelt design":en strategi, der bruger computermodellering til at forudsige, hvordan det nye molekyls struktur og dynamik vil påvirke dets adfærd.

"Indtil nu, proteindesign har mest fokuseret på at konstruere stabile proteinstrukturer og interaktioner, der mangler dynamik, "siger Barth." Vores arbejde demonstrerer udviklingen og valideringen af ​​den første beregningsmetode, der muliggør forudsigelse og rationelt design af proteinallosteriske dynamiske funktioner; det sætter scenen for at designe signalreceptorer med præcise funktioner til celletekniske tilgange og forudsige virkningerne af genetiske variationer på proteinfunktioner til personlig medicin, samt at designe nye allosteriske proteiner og bedre lægemidler fra bunden. "