UT Southwestern-onderzoekers publiceerden vandaag in: Natuur blauwdrukken op atomaire schaal van de meest voorkomende klasse van nicotine-acetylcholinereceptoren in de hersenen. Een structureel begrip van het eiwit, gevonden in neuronen, zou kunnen leiden tot nieuwe manieren om nicotineverslaving door roken en vapen te behandelen.

Driedimensionale structuren van nicotine-acetylcholinereceptor bepaald door cryo-EM, met dank aan Hibbs Lab. "Wanneer deze receptor zich bindt aan de neurotransmitter acetylcholine of aan nicotine, het leidt tot activering van het neuron, die vervolgens signalen naar andere neuronen stuurt, " zei dr. Ryan Hibbs, corresponderende auteur van de studie en universitair docent neurowetenschappen en biofysica bij het Peter O'Donnell Jr. Brain Institute aan de UT Southwestern. "Dit proces van 'chemische neurotransmissie' ligt ten grondslag aan alle snelle communicatie tussen neuronen. Deze specifieke receptor is nauw verbonden met nicotineverslaving."

Onderzoekers verkregen de structuren met hoge resolutie met behulp van de $ 22,5 miljoen cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) faciliteit van de universiteit, waar monsters snel worden ingevroren om de vorming van schadelijke ijskristallen te voorkomen en vervolgens worden bekeken bij min 321 graden Fahrenheit (cryogene temperaturen). De faciliteit van UT Southwestern - die de klok rond draait - is een van 's werelds topfaciliteiten voor cryo-EM structurele biologie.

Twee nieuwe aspecten van de studie zorgen ervoor dat het opvalt op het gebied van structurele biologie en neurowetenschappen. Eerst, de onderzoekers ontdekten nieuwe biologie over hoe de receptor nicotine in de hersenen bindt, zei Dr. Hibbs. Ten tweede zijn de bevindingen gerelateerd aan technische aspecten van hoe het eiwit assembleert.

"De ontdekking die we hebben gedaan over verschillende manieren waarop nicotine interageert met deze receptor, kan helpen bij het ontwerpen van medicijnen om nicotineverslaving en neurodegeneratie te behandelen, " voegde hij eraan toe. "Met betrekking tot de montage van de receptor, klassieke structuurbepalingstechnieken vereisen over het algemeen een homogeen monster. Echter, voor dit eiwit de receptor assembleert op meerdere manieren die belangrijke biologische gevolgen hebben. Bijvoorbeeld, een onbalans in de verhouding van de twee subeenheidarrangementen is gekoppeld aan zowel nicotineverslaving als aangeboren epilepsie."

Het eiwit dat ze bestudeerden, bestaat uit vijf subeenheden, van twee typen - α en β. Deze α- en β-subeenheden assembleren in twee verschillende verhoudingen tot twee verschillende vijf-subeenheidcomplexen, een 3α:2β vorm en een 2α:3β vorm. Complexen van beide verhoudingen worden gevonden in de hersenen.

"We gebruikten een antilichaamlabelingbenadering om subeenheden te identificeren en uitdagingen in cryo-EM-berekening te overwinnen om structuren van beide vijf-subeenheidcomplexen uit een enkel monster te verkrijgen. Dit was nog niet eerder gedaan en biedt een algemene benadering voor het bepalen van de structuren van vele andere soorten kanalen en receptoren met meerdere subeenheden die op meerdere manieren kunnen worden geassembleerd, " verklaarde Dr. Hibbs, een Effie Marie Cain geleerde in medisch onderzoek.

"De twee structuren zijn samengesteld uit verschillende verhoudingen van α- en β-subeenheden. Door een antilichaam te gebruiken dat alleen aan de β-subeenheden bindt, we waren in staat om de twee structuren uit één monster te onderscheiden - één receptor heeft twee gebonden antilichamen, terwijl de andere drie gebonden heeft, " verklaarde hoofdauteur Richard Walsh Jr., een afgestudeerde student in het programma Molecular Biophysics.

"Een hoofdauteur zijn van een geaccepteerd manuscript is op zichzelf een buitengewoon bevredigende ervaring; de hoofdauteur zijn van een onderzoek dat is geaccepteerd door Natuur voelt nog steeds surrealistisch, " hij voegde toe.

Het Hibbs-laboratorium was eerder in staat om een ​​structuur van een van de twee complexen te verkrijgen met behulp van röntgenkristallografie, een primeur in die tijd vanwege de moeilijkheid om membraaneiwitten te kristalliseren.

"Vooral voor membraaneiwitten het is een uitdaging om kristallen te verkrijgen die zullen buigen naar een hoge resolutie, wat cryo-EM bijzonder krachtig maakt. We waren eerder in staat om een ​​van deze nicotinereceptor-subeenheidarrangementen te verkrijgen door röntgenkristallografie. Cryo-EM gaf ons beide regelingen, uit een enkel monster, bij hogere resolutie, ' zei dokter Hibbs.