Onderzoekers van de Universiteit van Michigan, Stanford University en biotechbedrijf ConfometRx hebben de eerste snapshots van cryo-elektronenmicroscopie vastgelegd van een belangrijke cellulaire receptor in actie.

De bevindingen, die op 24 mei online werden gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , onthullen nieuwe informatie over de werking van G-eiwit-gekoppelde receptoren - die tussenpersonen zijn voor moleculaire berichten die verband houden met bijna elke functie in het menselijk lichaam.

G-eiwit-gekoppelde receptoren, vaak afgekort als GPCR's, bevinden zich in het celmembraan, waar ze signalen van buiten de cel detecteren en deze naar binnen brengen om te reageren. Ze reageren op signalen, waaronder sensorische input zoals licht, smaak en geur, evenals voor hormonen en neurotransmitters.

De nieuwe, afbeeldingen met bijna atomaire resolutie bieden een ongelooflijk gedetailleerd beeld van hoe deze belangrijke receptoren zich binden aan en signalen van peptidehormonen verzenden.

Het team onthulde hoe het hormoon GLP-1 (Glucagon-achtige peptide-1) bindt aan zijn receptor aan de buitenkant van een cel, en hoe dit veranderingen veroorzaakt in de rangschikking van het deel dat zich uitstrekt tot in de cel - dat vervolgens het G-eiwit aangrijpt en activeert.

GLP-1 speelt een belangrijke rol bij het reguleren van de insulinesecretie, koolhydraatmetabolisme en eetlust. Het bindt aan de B-familie van aan G-eiwit gekoppelde receptoren, hoewel informatie over hun precieze interacties tot nu toe beperkt was door een gebrek aan beelden van het complex in actie.

"Het is moeilijk om het belang van aan G-eiwit gekoppelde receptoren te overschatten, " zei Georgios Skiniotis, een onderzoeker aan het U-M Life Sciences Institute en Medical School, en een senior auteur van de studie. "GPCR's zijn het doelwit van ongeveer de helft van alle drugs, en het verkrijgen van dergelijke structuren door middel van cryo-elektronenmicroscopie zal cruciaal zijn voor verdere inspanningen om geneesmiddelen te ontdekken. De GLP-1-receptor is een belangrijk medicijndoelwit voor diabetes type 2 en obesitas."

Door de grootte en kwetsbaarheid van GPCR-complexen zijn ze notoir moeilijk vast te leggen met behulp van de oude gouden standaard van beeldvorming:röntgenkristallografie. Het kostte Brian Kobilka, een professor in moleculaire en cellulaire fysiologie aan de Stanford University Medical School en een senior medewerker op het papier, vele jaren om de eerste te krijgen, wat in 2012 leidde tot een Nobelprijs voor Kobilka.

De huidige studie werd gedaan met behulp van een cryo-elektronenmicroscopie, of cryo-EM. Cryo-EM is een evoluerend, geavanceerde beeldvormingstechnologie waarbij eiwitten in een dunne laag oplossing worden ingevroren en er vervolgens elektronen van worden teruggekaatst om hun vorm te onthullen. Omdat de bevroren eiwitten alle kanten op georiënteerd zijn, computersoftware kan later de duizenden individuele snapshots combineren tot een 3D-beeld met een bijna atomaire resolutie.

Vooruitgang in cryo-EM maakt het nu mogelijk om eiwitcomplexen te vangen met een resolutie die vergelijkbaar is met röntgenkristallografie, zonder de eiwitten tot nette, geordende kristallen - wat de verscheidenheid aan arrangementen en interacties die mogelijk zijn, beperkt.

"Met behulp van cryo-EM, we kunnen ook meer informatie vinden over hoe GPCR's buigen en bewegen, " zei Yan Zhang, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Skiniotis en een co-hoofdauteur van het artikel. "En we kunnen functionele veranderingen waarnemen in complexen die moeilijk zijn, zo niet onmogelijk, kristalliseren."