Под руководством доцента CSHL Хиро Фурукавы исследовательская группа получила изображения рецептора NMDA (N-метил, D-аспартат) в активном, неактивном и подавленном состояниях. Понимание того, как активируются рецепторы NMDA, имеет решающее значение при разработке новых терапевтических соединений.Рецепторы NMDA встроены в мембрану многих нервных клеток головного мозга и участвуют в передаче сигналов между клетками, которые необходимы для основных функций мозга, включая обучение и формирование памяти.
Структурно рецептор NMDA состоит из различных белковых сегментов, называемых доменами, которые вместе напоминают воздушный шар. Верхняя, подобная баллону часть состоит из аминоконцевого домена (ATD); из внешней поверхности клетки выступает лиганд-связывающий домен (LBD); а нижняя корзинообразная часть рецептора, называемая трансмембранным доменом (TMD), опускается внутрь клетки.Активация рецептора NMDA требует связывания химических веществ мозга, называемых нейротрансмиттерами, на определенных участках LBD.
Это связывание вместе со структурной перестройкой ATD запускает открытие канала, образованного TMD. Это молекулярное событие вызывает поток заряженных атомов, называемых ионами, в клетку.
Когда это происходит сразу во многих каналах, генерируется электрический ток, который быстро распространяется через нейрон и запускает высвобождение нейротрансмиттеров. Эти химические сигналы, в свою очередь, связываются с рецепторами соседних клеток.Несмотря на накопление знаний о структуре рецептора NMDA и его различных компонентов, точные детали структурных движений, ведущих к процессу открытия ионного канала, ранее не были описаны, и механизм активации рецептора остается неясным.
Помимо описания баллонной структуры рецептора NMDA, Фурукава и команда структурных биологов из CSHL ранее выявили многие важные особенности рецепторов NMDA, в том числе отличительные способы, которыми ряд лекарственных соединений прикрепляется к рецептору в различных местах его связывания. . «Сама архитектура рецептора NMDA довольно сложна, — говорит Фурукава, — но в последнее время мы были действительно очарованы тем, как каждый из его доменов движется сложным, но организованным образом».Чтобы узнать больше о динамике активации рецептора NMDA, исследователи объединили два метода молекулярной визуализации, рентгеновскую кристаллографию и одночастичную электронную криомикроскопию, и наблюдали структуры рецептора NMDA в трех конкретных конфигурациях: активированной, неактивной и заторможенные состояния.
Каждая из этих конфигураций достигается за счет связывания разных молекул с рецептором. Например, активированное состояние требовало связывания нейротрансмиттеров глицина и глутамата, в то время как связывание соединения ифенпродила приводило к ингибированному состоянию, которое заставляет канал закрываться. Исследователи использовали эти молекулярные структуры, опубликованные в Nature, чтобы сделать вывод о том, как различные субдомены рецептора перестраиваются при переходе из неактивного в активное состояние.
«Благодаря доступной сегодня технологии мы не видим непрерывного движения, но вместо этого видим снимки рецепторов NMDA в различных функциональных состояниях», — отмечает Фурукава.Наложение кристаллической структуры рецептора NMDA в каждом из трех функциональных состояний показало, какие компоненты перемещаются — обычно за счет небольшого вращения относительно друг друга — при открытии ионного канала. Исследователи заметили, что активация требует открытия двухлепестковой архитектуры одного из двух субдоменов ATD и переориентации ATD в целом.
Эти изменения приводят к дополнительным поворотам в различных точках как ATD, так и LBD, вызывая открытие поры ионного канала, подобно открытию затвора камеры.Фурукава говорит, что изучение того, как компоненты рецептора NMDA движутся во время активации и инактивации, может помочь ученым создать компьютерное моделирование, чтобы предсказать, как структуры различных молекул лекарства могут влиять на эти движения. «Если у нас нет библиотеки молекулярных структур, люди в этой области не смогут проводить эти симуляции», — говорит Фурукава. «Мы надеемся, что это новое открытие поможет фармакологам придумать лучшие терапевтические соединения с минимальными побочными эффектами».