Onderzoekers hopen een nieuwe generatie medicijnen te ontwerpen tegen een reeks dodelijke ziekten. De taak, echter, is kostbaar, lastig en vaak niet effectief. Een van de belangrijkste uitdagingen is het begrijpen van een bepaalde klasse eiwitten die celoppervlakken sieren, die het doelwit zijn van de meeste farmaceutische geneesmiddelen.

Nu, Wei Liu en zijn collega's van ASU's Biodesign Institute, samen met een team onder leiding van Haitao Zhang en Vadim Cherezov van USC hebben een veelbelovend medicijndoelwit in lichtgevend detail onderzocht, met behulp van een apparaat dat bekend staat als een röntgenvrije elektronenlaser, of XFEL.

hun resultaten, die verschijnen in de geavanceerde online editie van het tijdschrift Natuur , nieuw licht werpen op AT2R, een kritische celreceptor, wiens reeks functies onderzoekers pas begonnen te plagen. De bevindingen van de groep kunnen de ontwikkeling van nieuwe verbindingen voor cardiovasculaire aandoeningen versnellen, neuropathische pijn en weefselgroei.

AT2R behoort tot een familie van celreceptoren die bekend staat als GPCR's (voor G-proteïne gekoppelde receptor), de grootste familie van celmembraanreceptoren in het menselijk genoom. Zoals Liu uitlegt, GPCR's zijn zulke aantrekkelijke kandidaten voor targeting door nieuwe medicijnen omdat ze essentiële communicatielijnen bieden tussen de externe omgeving van een cel en de interne werking ervan.

"Mensen hebben meer dan 800 GPCR's, " zegt Liu "en elk van hen is belangrijk, omdat ze duizenden verschillende entiteiten van buiten de cel herkennen, inclusief kleine moleculen, peptiden, eiwitten en zelfs fotonen." Het lichtgevoelige GPCR-rhodopsine, bijvoorbeeld, is essentieel voor het gezichtsvermogen, reukreceptoren zijn verantwoordelijk voor de reukzin, terwijl de cafeïne in koffie werkt door zich te binden aan adenosinereceptoren, enzovoorts.

Naast hun essentiële huishoudelijke taken, GPCR's bieden medicijndoelen voor de behandeling van een groot aantal menselijke ziekten. "Voor bijna elke ziekte waarmee we worstelen, GPCR-eiwitten zouden de potentiële doelwitten voor geneesmiddelen kunnen zijn:chemokinereceptoren voor hiv, serotoninereceptoren voor de ziekte van Alzheimer, dopaminereceptoren voor drugsverslaving en Parkinson, "zegt Liu.

Met behulp van krachtige röntgenstralen van SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) en Argonne National Laboratory's Advanced Photon Source (APS), wetenschappers ontdekten nieuwe structurele details van de angiotensine II-receptor AT2R die onderzoekers al twee decennia in verwarring brengen. AT2R is een van de twee angiotensine II-receptoren, en zijn paar, AT1R, is met succes gebruikt als doelwit voor medicijnen tegen hoge bloeddruk.

De informatie die door het onderzoek wordt onthuld, zou medicijnontwikkelaars een nieuw pad kunnen bieden voor verbindingen die pijn en ontsteking bestrijden of weefselregeneratie bevorderen door goed in een zak in de uitgebreide driedimensionale vorm van AT2R te passen.

"In tegenstelling tot zijn broer AT1R, de AT2-receptor is niet volledig begrepen, " zei Cherezov, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Zuid-Californië en hoofdonderzoeker van de studie. "Door deze studie hebben we veel belangrijke details ontdekt over de AT2-receptorstructuur en hoe deze zich bindt aan chemische verbindingen, informatie die verdere studies van de functie van de receptor zal stimuleren en een opwindende volgende stap in de ontdekking van geneesmiddelen mogelijk zou kunnen maken."

twee receptoren, Veel mysteries

Beide angiotensine II-receptoren, AT1 en AT2, zijn belangrijke componenten van een hormoonsysteem dat helpt bij het reguleren van de bloeddruk en het natriumgehalte in het bloed. Ze staan ​​bekend als "membraaneiwitten" omdat ze zich over de plasmamembranen van cellen bevinden, waar ze signalen ontvangen van hormonen buiten de cel en deze doorgeven aan oplosbare partners in de cel, zoals G-eiwitten of β-arrestines, het veroorzaken van een cascade van gebeurtenissen die het signaal cel-breed verspreiden.

Veel hypertensiemedicijnen die momenteel op de markt zijn, richten zich op de AT1-receptor vanwege de goed begrepen rol ervan bij de regulering van de bloeddruk; ze blokkeren AT1 om de bloeddruk te verlagen. De AT2-receptor, anderzijds, is nog steeds een ongrijpbaar doelwit voor geneesmiddelen, ondanks meerdere onderzoeken naar de functie ervan. Sommige, maar niet alles, hebben aangetoond dat het de effecten van AT1 tegengaat; anderen wijzen op het potentieel voor weefselbescherming en regeneratie; en weer anderen suggereren dat het een rol zou kunnen spelen bij het blokkeren van pijn.

Hoewel er nog geen goedgekeurde geneesmiddelen zijn die inwerken op AT2-receptoren, farmaceutische bedrijven jagen agressief op verbindingen die ze zullen activeren of blokkeren. Een dergelijke verbinding, genaamd EMA401, wordt getest bij patiënten voor de behandeling van neuropathische pijn.

De laatste studie richt zich op twee doelen:begrijpen hoe AT2 verschilt van AT1, om er selectief op te mikken; en onderzoeken waarom AT2 - die alle klassieke kenmerken van een GPCR heeft, net als AT1 - faalt om G-eiwitten te activeren, die signalen in cellen verspreiden, of interactie met arrestin, het uitschakelen van die signalen.

Biologie onder röntgenlicht

In de experimenten, de onderzoekers keken naar twee verschillende soorten monsters, die werden gevormd tot kristallen voor onderzoek met röntgenstralen. In een, de AT2-receptor was gebonden aan een selectieve verbinding, een die alleen bindt aan AT2. Deze kristallen waren zo klein dat ze alleen konden worden bestudeerd met SLAC's röntgenvrije-elektronenlaser LCLS, waar ze werden gestreamd over een bundel ultrasnelle röntgenpulsen.

In de andere, een niet-selectieve verbinding werd aan zowel AT1 als AT2 gebonden. Deze monsters, die grotere kristallen vormden, werden onderzocht bij Argonne's APS synchrotron lichtbron.

Onverwachte resultaten

De resultaten van de experimenten waren op verschillende manieren verrassend. Eerst, hoewel beide verbindingen zijn ontworpen om de receptoren te blokkeren en te deactiveren, ze lieten AT2 achter in een staat die actief leek te zijn. In aanvulling, hoewel men dacht dat AT1 en AT2 erg op elkaar leken, de zakken waar de receptoren aan de verbindingen binden vertoonden duidelijke verschillen.

"Dit is iets dat we nog nooit hebben gezien met GPCR's, "Zei Cherezov. "Het idee was altijd dat receptoren die aan dezelfde verbindingen binden, zeer vergelijkbare pockets zouden hebben, dus de inspanningen om geneesmiddelen te ontwikkelen die op AT2 werken, begonnen met dezelfde basisstructuren als geneesmiddelen die op AT1 inwerken. Nu zien we dat we misschien moeten beginnen met geheel andere medicijnachtige moleculen die zijn afgestemd op de AT2-receptor, die het medicijnontdekkingsproces in een andere richting zou kunnen zetten."

De ASU-deelnemers hielpen met data-analyse en monstervoorbereiding en karakterisering. Liu, voorheen lid van het team van het USC, hielp ook bij het ontwerpen van receptorconstructen, zuivering en kristallisatie.

Liu benadrukt dat veel belangrijke GPCR-eiwitten die geschikt zijn voor medicijndoelen alleen in het laboratorium zeer kleine kristallen (minder dan 100 micron lang) kunnen vormen. historisch, het vermogen om grote eiwitkristallen in het laboratorium te laten groeien was een voorwaarde voor het bestuderen van hun 3D-structuur met hoge resoluties, omdat kleinere kristallen zouden worden vernietigd door synchrotronstraling. Nu echter, de studie van deze moleculen heeft een revolutie teweeggebracht door het gebruik van XFEL-technologie, die de kristallen ter grootte van een micron blootstelt aan zulke korte uitbarstingen van straling dat ze intact blijven.

ASU loopt voorop in dit nieuwe studiegebied, het combineren van hun expertise in het produceren van kleine kristallen die geschikt zijn voor analyse van GPCR-eiwitten met het vermogen om dergelijke monsters met extreem hoge resolutie af te beelden met behulp van XFEL.

Het Biodesign Institute heeft onlangs een gedurfd project ondernomen om een ​​eerste in zijn soort compacte XFEL te bouwen, in staat om dit type eiwitstructuuranalyse met hoge resolutie uit te voeren, kosten drastisch te verlagen en de bereikbaarheid te verbeteren. (Momenteel, er zijn slechts 3 grote XFEL-machines, de SLAC-faciliteit in Stanford, DESY in Hamburg, Duitsland en de SACLA XFEL, in Harima, Japan.)

"XFEL opent de deur naar al deze membraaneiwitdoelen, "Lou zegt, benadrukkend dat het gebied van röntgenkristallografie nu klaar is voor stevige vooruitgang.