Nieuwe beeldvormingsmethoden waarmee onderzoekers de individuele eiwitmoleculen op het oppervlak van cellen kunnen volgen, zijn ontwikkeld door onderzoekers van Weill Cornell Medicine. De resultaten bieden een ongekend inzicht in hoe cellen hun omgeving voelen en erop reageren.

G-eiwit-gekoppelde receptoren (GPCR's) zijn eiwitten die zich in het celmembraan bevinden en signalen naar de cel doorgeven om fundamentele aspecten van de menselijke fysiologie te reguleren. De signalen die via GPCR's worden ontvangen, omvatten alles van licht, die de eiwitten in cellen activeert die het zicht mogelijk maken, aan chemicaliën zoals neurotransmitters die de stemming reguleren, signalen die pijn veroorzaken. Bijna de helft van alle klinisch gebruikte medicijnen werkt door zich te richten op verschillende GPCR's.

"Deze eiwitten zijn cruciaal voor elk aspect van de menselijke fysiologie, " zei co-senior studie auteur Scott Blanchard, hoogleraar fysiologie en biofysica bij Weill Cornell Medicine. "We moeten weten hoe GPCR's al deze signalen herkennen, hoe ze de signalen verwerken en hoe ze de informatie de cel in sturen om een ​​specifieke actie op te roepen. Alleen zo kunnen we nieuwe generaties medicijnen ontwikkelen die zich nauwkeuriger op deze eiwitten richten en zo kunnen helpen zonder nevenschade te veroorzaken."

In een paper gepubliceerd op 7 juni in Natuur , Blanchard en collega's bij Weill Cornell Medicine, Stanford en Columbia Universities beschrijven een belangrijke stap in deze richting, bereikt met behulp van een beeldvormingstechniek genaamd single-molecule Fluorescence Energy Transfer (smFRET), waarmee de onderzoekers individuele GPCR-moleculen konden bekijken terwijl ze reageerden op adrenalinemoleculen, een hormoon dat functies controleert, waaronder hartslag, ademhaling en verwijding van bloedvaten.

"We wisten al dat het GPCR-molecuul fysiek verandert bij het binden van adrenaline en dat dit proces het in staat stelt om intracellulaire eiwitten te binden, "Zei Blanchard. "Waar we niet veel over wisten, is hoe dit activeringsproces eigenlijk gebeurt. En dat is de cruciale ontbrekende informatie die ons begrip van de werkzaamheid van geneesmiddelen heeft beperkt."

Om hen in staat te stellen dit proces te bekijken, Het team van Blanchard ontwikkelde nieuwe reportermoleculen, fluoroforen genaamd, die fluorescerend licht uitstralen en aan de GPCR kunnen worden bevestigd om te informeren over zijn bewegingen wanneer adrenaline zich bindt. Het Blanchard-lab ontwikkelde ook een nieuwe microscoop die deze lichtberichten nauwkeuriger kan volgen. De onderzoekers keken en registreerden vervolgens de bewegingen, complexe berekeningen gebruiken om te leren hoe het eiwit reageert op zijn interacties met adrenaline en met een ander eiwit in de cel, heterotrimeer G-eiwit genoemd, die de respons detecteert en de cel laat weten dat de GPCR is geactiveerd door adrenaline.

Het resultaat is een hoge resolutie, hogesnelheidsfilm die de details onthult van de moleculaire relaties die het adrenalinesignaal via de GPCR de cel in sturen. Dit onthulde voor het eerst aan het onderzoeksteam een ​​reeks omkeerbare stappen in het proces waarbij een geactiveerde GPCR interageert met zijn intracellulaire G-eiwit die nog nooit eerder zijn gezien. Dit stelde hen in staat om hun paper af te sluiten door te beschrijven waarom "Kwantitatieve beeldvormingsonderzoeken met één molecuul cruciaal zullen zijn bij het afbakenen van verschillende ligandafhankelijke GPCR-signaleringsroutes."

"Dit zijn belangrijke inzichten die niet mogelijk zouden zijn zonder de beeldvormingstechnieken die ons begrip vergroten van hoe deze moleculaire machines eigenlijk werken en hoe signalen van buiten naar binnen in de cel worden overgebracht, " zei Blanchard, die op verwante octrooien is, inclusief een patent in licentie gegeven aan Lumidyne voor een van de fluoroforen die in het onderzoek werden gebruikt. Blanchard is mede-oprichter met aandelen in Lumidyne, een bedrijf dat zich richt op fluorescentietechnologieën. "Het kunnen zien van de innerlijke werking van de GPCR's heeft enorme implicaties voor het ontdekken van medicijnen voor alles, van pijnbeheersing tot hartaandoeningen en kanker. De klinische implicaties van deze technologie kunnen zeer ver reiken."