Het vermogen om de bewegingen van afzonderlijke moleculen te volgen, heeft onthuld hoe eiwitten op het oppervlak van zenuwcellen poorten aansturen die chemische signalen in elektrische signalen veranderen. De bevinding is een stap voorwaarts in het detailleren van mechanismen die betrokken zijn bij neurologische aandoeningen, volgens onderzoekers van Rice University en het University of Texas Health Science Center in Houston (UTHealth).

Met behulp van geavanceerde beeldvormende en statistische methoden, de wetenschappers gebruikten FRET-beeldvormingstechnieken met één molecuul om een ​​bruggenhoofd te vestigen bij de NMDA-receptorpoort die, wanneer geactiveerd, laat ionen door het membraan van de zenuwcel stromen.

FRET staat voor Förster resonantie energieoverdracht. Het is een manier om het licht dat wordt uitgezonden door twee moleculen met fluorescerend label te gebruiken als een gevoelige liniaal voor zeer kleine afstanden, zoals de opening in het NMDA-receptorkanaal.

Rijstchemicus Christy Landes, een expert in single-molecule FRET, en Vasanthi Jayaraman, een professor in biochemie en moleculaire biologie aan de McGovern Medical School van UTHealth, wiens expertise ligt in de biochemie van NMDA-receptoren, werkten samen om het eerste experimentele bewijs te verzamelen dat de dynamiek beschrijft van hoe de receptoren hun vorm veranderen om de gevoeligheid van de poort voor chemische signalen te regelen. De nieuwe studie verschijnt in Natuur Chemische Biologie .

De NMDA-receptor is een set van vier eiwitsubeenheden, elk met vier domeinen, en elk van die domeinen heeft een bepaalde functie. collectief, ze overspannen het celmembraan. Elke subeenheid kan vele "toestanden, " of vormen, die regelen welke elektrische signalen - en hoeveel ervan - er doorheen gaan. De subeenheden zitten aan elke kant van het kanaal en worden geactiveerd wanneer ze zowel glutamaat- als glycine-neurotransmitterliganden binden en de signaalroute activeren die positief geladen ionen de cel binnenlaat.

"Deze receptoren zijn cruciaal voor een normale fysiologische functie, "Zei Jayaraman. "Vaak wil je de signalisatie niet aan of uit zetten. Misschien wilt u de mate van signalering inbellen. Zodra we alle toestanden van het eiwit begrijpen, we kunnen gaan nadenken over manieren om dit te doen, waardoor het eiwit actief blijft, maar in verschillende mate als dat nodig is.

"Het is belangrijk voor de ontwikkeling van geneesmiddelen om deze dynamiek te begrijpen, omdat de bewegingen en de energetische eigenschappen van deze eiwitten hun specifieke functies dicteren, "zei ze. "We waren in staat om beide te doen."

Deze kennis zou kunnen leiden tot multifunctionele medicijnen die de kanalen op subtiele manieren beïnvloeden, aldus Landes. Bekende NMDA-receptorantagonisten zijn onder meer gebruikelijke anesthetica, synthetische opioïden zoals methadon en dissociatieve drugs zoals ketamine en lachgas. Een depressieve NMDA-receptorfunctie wordt vermoed bij geheugenstoornissen die vaak worden geassocieerd met veroudering. Van alcohol is bekend dat het glutamaat remt, een van de twee neurotransmitters die binden aan NMDA.

"Veel medicijnontwerp heeft als kernprincipe dat er één manier is om te binden, en in feite zet je iets aan of zet je iets uit, " zei Landes. "Maar het is duidelijk dat dit type receptoreiwit niet alleen aan of uit staat. Er zijn meerdere conformationele interacties die de signalering verbeteren of verslechteren."

In een eerdere studie, het team analyseerde de conformaties van een kleiner en eenvoudiger maar gerelateerd systeem, het C-clamp-achtige agonist bindend domein van een andere receptor, AMPA. AMPA bemiddelt snelle signaaloverdracht in het centrale zenuwstelsel. De FRET-techniek met één molecuul stelde de onderzoekers in staat om de eerste snapshots te maken van de verschillende klemconformaties van het AMPA-eiwit in rust en ook wanneer gebonden aan een reeks doelmoleculen door de afstand tussen twee door licht geactiveerde moleculaire tags te meten.

Deze keer, de onderzoekers probeerden de kanaalopening zelf te begrijpen - hoe de eiwitten waaruit het NMDA-receptorkanaal bestaat, bewegen om de ionenpoort te activeren. Door fluorescerende tags over het kanaal toe te voegen en ze in de loop van de tijd te bemonsteren, ze waren in staat om het energielandschap van het transmembraansegment van het eiwit in zijn rusttoestand of onder invloed van liganden die de poort moduleren tussen open, gesloten en tussenliggende toestanden. De structurele toestand van elk kanaal beïnvloedt rechtstreeks de elektrische signalen die worden doorgelaten.

Ze ontdekten dat de agonistvrije (rust)toestand structureel stijf is, wat zijn energetische weerstand bevestigde tegen het aannemen van conformaties die kanaalopening mogelijk zouden maken. Agonisten zoals glutamaat zijn de doelchemicaliën die elektrisch signaaltransport door het kanaal veroorzaken. De onderzoekers bevestigden dat in aanwezigheid van de primaire agonist, het NMDA-kanaal was minder stijf en kon daarom gemakkelijker overgaan tussen de mogelijke kanaal-open conformaties.

Het werk liet ook zien hoe twee modulatoren waarvan bekend is dat ze interageren met verschillende delen van de volledige receptor-impactkanaalconformatie en stijfheid. Zink ionen, ondanks binding aan het extracellulaire deel van de receptor ver weg van het kanaal, een stijf kanaal induceren met aanzienlijke energetische barrières voor opening, vergelijkbaar met de rusttoestand van de receptor. In tegenstelling tot, de "porieblokker" dizocilpine bleek de energie van overgangen tussen meerdere conformaties die geen verband houden met kanaalopening te verbeteren.

Landes zei dat in plaats van statische toestanden vast te leggen, zoals gewoonlijk wordt gedaan met röntgenstralen, "We keken op een dynamische manier naar afstandsveranderingen over het kanaal. Het is veel gecompliceerder." Dat gaf hen een dataset die meer op een film leek dan op een momentopname, ze zei.

Ze zei dat de studie nieuwe technieken vereiste om de volledige eiwitten te zuiveren en te stabiliseren. die werden getrokken uit de neuronen van knaagdieren. "Er waren drie belangrijke onderdelen van dit project:het omgaan met de volledige eiwitten, ze gezuiverd en gelabeld krijgen op het niveau van de enkele receptor en de gegevensanalyse uitvoeren om erachter te komen wat het betekent.

"Dat is hier echt de basis, "zei ze. "Nu kunnen we deze metingen doen voor veel gecompliceerdere systemen."