Wetenschappers van het Scripps Research Institute (TSRI) hebben diep in het hart van een belangrijk eiwit dat wordt gebruikt bij het ontwerpen van geneesmiddelen gekeken en dynamische structurele kenmerken ontdekt die kunnen leiden tot nieuwe manieren om ziekten aan te pakken. het eiwit, genaamd de A _2A adenosine receptor (A _2a AR), is een lid van de G-proteïne-gekoppelde receptor (GPCR) familie, die het doelwit zijn van ongeveer 40 procent van alle goedgekeurde geneesmiddelen.

De nieuwe, meer gedetailleerde afbeelding van A _2a AR's signaleringsmechanisme onthult belangrijke delen van zijn innerlijke werking, inclusief een aminozuur dat werkt als een "tuimelschakelaar" om de signalering over het celmembraan te regelen.

"Deze basiskennis is mogelijk nuttig voor het verbeteren van het medicijnontwerp, ", zegt Nobelprijswinnaar Kurt Wthrich, doctoraat, de Cecil H. en Ida M. Green hoogleraar structurele biologie aan TSRI en senior auteur van de studie.

De bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Cel .

Beeldvormingstechniek onthult hoe eiwit van vorm verandert

Alle menselijke cellen bevatten A _2a AR en andere GPCR's ingebed in hun plasmamembraan. Er zijn meer dan 800 GPCR's ontdekt in het menselijk lichaam, en elk heeft een rol bij het reguleren van een lichaamsfunctie. Bijvoorbeeld, EEN _2a AR reguleert de bloedstroom en ontstekingen en bemiddelt de effecten van cafeïne. EEN _2a AR is ook een gevalideerd doelwit voor de behandeling van de ziekte van Parkinson en een relatief nieuw doelwit voor kankerbestrijding.

"GPCR's doen zo ongeveer alles wat je maar kunt bedenken, " zegt Wthrich. "Maar voor een lange tijd, medicijnontwerp werd gedaan zonder te weten hoe GPCR's eruit zagen."

Voor de nieuwe studie de onderzoekers wilden de relatie tussen A . beter begrijpen _2a AR-functie en dynamische veranderingen in de structuur om het ontwerp van geneesmiddelen te helpen informeren.

Het onderzoek bouwde voort op eerdere studies waarbij wetenschappers een beeldvormingstechniek gebruikten die röntgenkristallografie wordt genoemd om A . te bepalen _2a AR's driedimensionale structuur. De beelden toonden aan dat A _2a AR ziet eruit als een ketting die het celmembraan doorkruist en een opening heeft aan de kant die naar buiten gericht is. Het gebied van de GPCR-structuur dat uit het membraan steekt, interageert met medicijnen en andere moleculen om te signaleren naar partnereiwitten in de cel.

Hoewel kristalstructuren een belangrijk overzicht gaven van de vorm van de receptor in inactieve en actief-achtige toestanden, ze konden geen beweging en veranderingen in structuur laten zien wanneer A _2a AR ontmoet nieuwe bindende partners, zoals farmaceutische kandidaten. Kortom, de onderzoekers in de nieuwe studie moesten onderzoeken waarom A _2a AR werkt zoals het werkt.

Om dit probleem op te lossen, de onderzoekers gebruikten een techniek genaamd nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie, die sterke magnetische velden creëert om de posities van sondes in een monster te lokaliseren. Wthrich is een wereldberoemde leider op het gebied van NMR en won in 2002 de Nobelprijs voor Scheikunde voor baanbrekend werk op het gebied van NMR om de structuren van biologische moleculen te bestuderen. Met NMR, wetenschappers kunnen de structuren van eiwitten bepalen en hun dynamische eigenschappen bestuderen in oplossing bij fysiologische temperaturen - zoals ze in het menselijk lichaam voorkomen.

In werk onder leiding van Matthew Eddy van TSRI, doctoraat, eerste auteur van de nieuwe studie, de onderzoekers gebruikten NMR om A . te observeren _2a AR in veel verschillende conformaties, licht werpen op hoe het van vorm verandert op het oppervlak van menselijke cellen als reactie op medicamenteuze behandelingen.

belangrijk, NMR liet het team veranderingen in de interne architectuur van A . visualiseren _2a AR. Dit bracht hen verder dan eerdere NMR-onderzoeken naar oplossingen, die zich richtte op de technisch minder veeleisende observatie van NMR-waarneembare sondes die zijn bevestigd aan flexibele delen van GPCR's, meestal gelokaliseerd op of nabij het oppervlak van de receptor. De aanpak in de nieuwe studie stelde onderzoekers in staat om de effecten van geneesmiddelbinding aan het extracellulaire oppervlak op veranderingen in eiwitstructuur en dynamiek aan het intracellulaire oppervlak - de structurele basis van signaaloverdracht - over het hart van de GPCR te volgen.

Het was alsof de onderzoekers een auto hadden gezien, en met NMR, ze konden eindelijk de motor inspecteren.

Heroverwegen hoe we medicijnen ontwerpen

Twee details in A _2a De structuur van AR gaf onderzoekers inzicht in hoe toekomstige medicijnen de receptor zouden kunnen manipuleren. Een belangrijke bevinding was dat het vervangen van een bepaald aminozuur in het centrum van de receptor het vermogen van de receptor om signalen de cel in te sturen vernietigde.

"Met deze bevinding we kunnen zeggen 'A-ha! Het is deze verandering in structuur die de signaleringsactiviteit doodt.' Misschien kunnen we een medicijn veranderen om deze limiet te overwinnen, ' zegt Wthrich.

De onderzoekers onthulden ook de activiteit van een "tuimelschakelaar" in A _2a AR. Eerdere studies suggereerden dat een van de tryptofaan-aminozuren in A _2a AR klapt op en neer in overleg met A _2a activiteit van AR. Met NMR, de wetenschappers observeerden dit unieke tryptofaan direct toen het van oriëntatie veranderde als reactie op verschillende medicijnen. Chemici zouden mogelijk medicijnen kunnen aanpassen om deze schakelaar te manipuleren en A . onder controle te houden _2a AR-signalering.

De onderzoekers benadrukken dat deze nieuwe studie potentieel relevant is voor een groot deel van de grote familie van GPCR's. In feite, structurele details van deze studie kunnen van toepassing zijn op meer dan 600 "klasse A" GPCR's in ons lichaam.

Naast Wthrich en Eddy, auteurs van de studie, "Allosterische koppeling van medicijnbinding en intracellulaire signalering in de A _2a adenosine receptor, " were Tatiana Didenko and Pawel Stanczak of The Scripps Research Institute; Reto Horst of The Scripps Research Institute and Pfizer Worldwide Research and Development; Zhan-Guo Gao and Kenneth A. Jacobson of the National Institutes of Health; and Ming-Yue Lee, Kyle M. McClary, Gye Won Han, Martin Audet, Kate L. White and Raymond C. Stevens of the University of Southern California.