UT Southwestern-onderzoekers hebben vandaag de eerste atomaire structuur gepubliceerd van een hersenreceptor die is gebonden aan een medicijn dat wordt gebruikt om anesthesie om te keren en om overdoses van kalmerende middelen te behandelen.

"Deze studie onthult de eerste structurele informatie met hoge resolutie voor een van de meest voorkomende en belangrijke neurotransmitterreceptoren in de hersenen, " zei dr. Ryan Hibbs, corresponderende auteur van de studie gepubliceerd in Natuur en universitair docent neurowetenschappen en biofysica bij het Peter O'Donnell Jr. Brain Institute aan de UT Southwestern. "We hebben er enorm veel zin in."

Veel drugs - zowel legaal als illegaal - werken op de GABAA-receptor. Vooral bekend zijn de benzodiazepinen, die worden gebruikt voor anesthesie tijdens operaties en worden voorgeschreven voor de behandeling van epilepsie, ongerustheid, en slapeloosheid, hij zei, eraan toevoegend dat het oplossen van de structuur van de receptor ooit zou kunnen leiden tot betere behandelingen voor die aandoeningen.

De GABAA-receptor bindt aan GABA (γ-aminoboterzuur), de belangrijkste remmende, of kalmerend, neurotransmitter in het volwassen brein. Om goed te kunnen functioneren, de hersenen hebben een balans nodig van stimulerende en kalmerende signalen, zei dr. Hibbs. Disfunctie van de GABAA-receptor wordt gevonden bij aandoeningen die worden gekenmerkt door overmatige opwinding in de hersenen, zoals epilepsie. Naast de benzodiazepine-klasse van sedativa, de GABAA-receptor is een gemeenschappelijk doelwit voor barbituraten, anesthetica, en alcohol, hij voegde toe. Al deze geneesmiddelen werken in op de hersenen door de activiteit van de GABAA-receptor te verhogen, wat op zijn beurt weer dempt, of kalmeert, hersenactiviteit.

"Deze receptor is een farmacologische goudmijn. waar deze medicijnen binden en hoe ze hun effecten uitoefenen, was op structureel niveau niet begrepen, wetenschappers dwingen hun begrip van deze receptor te baseren op computationele modellering, ' zei dokter Hibbs.

De GABAA-receptor is notoir resistent tegen röntgenkristallografie. Die methode - lang beschouwd als de gouden standaard van structurele biologie - vereist de kristallisatie van eiwitten, zodat structuren kunnen worden bepaald op basis van röntgendiffractiepatronen, verklaarde Dr. Hibbs, een Effie Marie Cain geleerde in medisch onderzoek.

Dr. Shaotong Zhu, de hoofdauteur in deze studie en een postdoctoraal onderzoeker in Neuroscience, volgde de structuur door kristallografie en verkreeg kristallen die röntgenstralen zeer slecht afbogen. parallel, ze werkte om de structuur te verkrijgen met behulp van cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM), wat uiteindelijk gelukt is. De resultaten leveren de eerste 3D-atoomstructuren op van de receptor gebonden aan zijn neurotransmitter GABA en aan het medicijn flumazenil, die wordt gebruikt om anesthesie ongedaan te maken en om overdoses benzodiazepines te behandelen.

De onderzoekers verkregen de structuren met hoge resolutie met behulp van de $ 22,5 miljoen cryo-EM-faciliteit van de universiteit, waar monsters snel worden ingevroren om de vorming van schadelijke ijskristallen te voorkomen en vervolgens worden bekeken bij ongeveer min 300 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.

De onderzoekers bedachten methoden om de menselijke synaptische GABAA-receptor uit cellen in kolven tot expressie te brengen en te zuiveren en gebruikten elektrofysiologische experimenten, in combinatie met de structurele informatie van cryo-EM, om de effecten op de receptor van de neurotransmitter GABA te testen, een benzodiazepine (diazepam), en flumazenil.

"We waren in staat om te definiëren hoe GABA zo selectief aan de receptor bindt en om uit te leggen waarom medicijnen zoals benzodiazepines en flumazenil - het middel dat concurreert met die medicijnen op dezelfde bindingsplaats om hun effecten om te keren - specifiek op deze receptor werken, " zei Dr. Hibbs. "De implicaties zijn verstrekkend voor het begrijpen van mechanismen voor het binden van geneesmiddelen en het ontwerpen van nieuwe geneesmiddelen voor diverse neurologische aandoeningen."