Receptoren op celoppervlakken binden aan hormonen, eiwitten en andere moleculen, waardoor cellen reageren op hun omgeving. MIT-chemici hebben nu ontdekt hoe een van deze receptoren van vorm verandert wanneer het aan zijn doelwit bindt, en hoe die veranderingen cellen aanzetten om te groeien en te prolifereren.

Deze receptor, bekend als epidermale groeifactorreceptor (EGFR), wordt in veel soorten kanker tot overexpressie gebracht en is het doelwit van verschillende kankermedicijnen. Deze medicijnen werken in het begin vaak goed, maar tumoren kunnen er resistent tegen worden. Door het mechanisme van deze receptoren beter te begrijpen, kunnen onderzoekers medicijnen ontwikkelen die die weerstand kunnen omzeilen, zegt Gabriela Schlau-Cohen, universitair hoofddocent scheikunde aan het MIT.

"Nadenken over meer algemene mechanismen om EGFR aan te pakken is een opwindende nieuwe richting en geeft je een nieuwe weg om na te denken over mogelijke therapieën die misschien niet zo gemakkelijk resistentie ontwikkelen", zegt ze.

Schlau-Cohen en Bin Zhang, de Pfizer-Laubach Career Development Assistant Professor of Chemistry, zijn de hoofdauteurs van de studie, die vandaag verschijnt in Nature Communications . De hoofdauteurs van het artikel zijn MIT-afgestudeerde student Shwetha Srinivasan en voormalig MIT-postdoc Raju Regmi.

Vormveranderende receptoren

De EGF-receptor is een van de vele receptoren die de celgroei helpen beheersen. Het wordt aangetroffen op de meeste soorten epitheelcellen van zoogdieren, die lichaamsoppervlakken en organen bekleden, en kan naast EGF reageren op verschillende soorten groeifactoren. Sommige soorten kanker, met name longkanker en glioblastoom, brengen de EGF-receptor tot overexpressie, wat kan leiden tot ongecontroleerde groei.

Zoals de meeste celreceptoren omspant de EGFR het celmembraan. Een extracellulair gebied van de receptor interageert met zijn doelmolecuul (ook wel een ligand genoemd); een transmembraansectie is ingebed in het membraan; en een intracellulair gedeelte interageert met cellulaire machines die de groeipaden regelen.

Het extracellulaire deel van de receptor is in detail geanalyseerd, maar de transmembraan- en intracellulaire secties waren moeilijk te bestuderen omdat ze meer ongeordend zijn en niet kunnen worden gekristalliseerd.

Ongeveer vijf jaar geleden probeerde Schlau-Cohen meer te weten te komen over die minder bekende structuren. Haar team heeft de eiwitten ingebed in een speciaal type zelfassemblerend membraan, een nanodisc genaamd, dat het celmembraan nabootst. Daarna gebruikte ze FRET met één molecuul (fluorescentie-resonantie-energieoverdracht) om te bestuderen hoe de conformatie van de receptor verandert wanneer deze zich aan EGF bindt.

FRET wordt vaak gebruikt om kleine afstanden tussen twee fluorescerende moleculen te meten. De onderzoekers labelden het nanodisc-membraan en het uiteinde van de intracellulaire staart van het eiwit met twee verschillende fluoroforen, waardoor ze onder verschillende omstandigheden de afstand tussen de eiwitstaart en het celmembraan konden meten.

Tot hun verbazing ontdekten de onderzoekers dat EGF-binding leidde tot een grote verandering in de conformatie van de receptor. De meeste modellen van receptorsignalering omvatten interactie van meerdere transmembraanhelices om grootschalige conformationele veranderingen tot stand te brengen, maar de EGF-receptor, die slechts een enkel spiraalvormig segment binnen het membraan heeft, lijkt een dergelijke verandering te ondergaan zonder interactie met andere receptormoleculen.

"Het idee dat een enkele alfa-helix zo'n grote conformationele herschikking zou kunnen transduceren, was echt verrassend voor ons", zegt Schlau-Cohen.

Moleculaire modellering

Om meer te weten te komen over hoe deze vormverandering de functie van de receptor zou beïnvloeden, werkte het laboratorium van Schlau-Cohen samen met Zhang, wiens laboratorium computersimulaties van moleculaire interacties doet. Dit soort modellering, ook wel moleculaire dynamica genoemd, kan modelleren hoe een moleculair systeem in de loop van de tijd verandert.

De modellering toonde aan dat wanneer de receptor aan EGF bindt, het extracellulaire segment van de receptor verticaal rechtop staat, en wanneer de receptor niet is gebonden, ligt het plat tegen het celmembraan. Net als bij het sluiten van een scharnier, kantelt de receptor wanneer deze plat valt, het transmembraansegment en trekt het intracellulaire segment dichter bij het membraan. Dit blokkeert het intracellulaire gebied van het eiwit om te kunnen interageren met de machinerie die nodig is om celgroei op gang te brengen. EGF-binding maakt die regio's meer beschikbaar, waardoor groeisignaleringsroutes worden geactiveerd.

De onderzoekers gebruikten hun model ook om te ontdekken dat positief geladen aminozuren in het intracellulaire segment, nabij het celmembraan, de sleutel zijn tot deze interacties. Toen de onderzoekers die aminozuren muteerden en ze overschakelden van geladen naar neutraal, activeerde ligandbinding de receptor niet meer.

"Er is een mooie consistentie die we kunnen zien tussen de simulatie en het experiment", zegt Zhang. "Met de moleculaire dynamica-simulaties kunnen we achterhalen welke aminozuren essentieel zijn voor de koppeling en de rol van verschillende aminozuren kwantificeren. Vervolgens toonde Gabriela aan dat die voorspellingen correct bleken te zijn."

De onderzoekers ontdekten ook dat cetuximab, een medicijn dat zich bindt aan de EGF-receptor, deze conformationele verandering voorkomt. Cetuximab heeft enig succes opgeleverd bij de behandeling van patiënten met colorectale kanker of hoofd-halskanker, maar tumoren kunnen er resistent tegen worden. Door meer te leren over het mechanisme van hoe EGFR reageert op verschillende liganden, kunnen onderzoekers medicijnen ontwerpen die mogelijk minder snel tot resistentie leiden, aldus de onderzoekers.