«Это семейство рецепторов — новая захватывающая цель для будущих лекарств для лечения заболеваний головного мозга», — сказал П. Джеффри Конн, доктор философии, Ли Э. Лимбирд, профессор фармакологии и директор Центра нейробиологии им. Вандербильта по открытию лекарств, который был старшим автором исследования с Рэймондом Стивенсом, доктором философии, профессором кафедры интегративной структурной и вычислительной биологии в TSRI. "Это новое понимание того, как молекулы, подобные лекарствам, взаимодействуют с рецептором на атомном уровне, обещает оказать большое влияние на усилия по открытию новых лекарств."
Об исследовании, посвященном рецептору mGlu1, сообщалось в выпуске журнала Science от 6 марта 2014 г.
Семейство мишеней для наркотиков
Рецептор mGlu1, который помогает регулировать глутамат нейротрансмиттера, принадлежит к суперсемейству молекул, известных как рецепторы, связанные с G-белком (GPCR).
GPCR сидят в клеточной мембране и воспринимают различные молекулы вне клетки, включая запахи, гормоны, нейротрансмиттеры и свет. После связывания этих молекул GPCR запускают специфический ответ внутри клетки.
Более одной трети терапевтических препаратов нацелены на GPCR, включая лекарства от аллергии и сердечные препараты, лекарства, нацеленные на центральную нервную систему, и антидепрессанты.
Работа лаборатории Стивенса вращалась вокруг определения структуры и функции GPCR. GPCR недостаточно изучены, и в настоящее время происходит много фундаментальных прорывов из-за понимания GPCR как сложных механизмов, тщательно регулируемых холестерином и натрием.
Когда группа Стивенса решила исследовать структуру mGlu1 и других ключевых членов семейства mGlu, было естественно, что ученые обратились к исследователям из Вандербильта. «Они лучше всех разбираются в рецепторах mGlu», — сказал Стивенс. «Сотрудничая с экспертами по конкретным подсемействам рецепторов, мы можем достичь нашей цели — понять суперсемейство человеческих GPCR и то, как GPCR контролируют передачу сигналов человеческих клеток.”
Коллин Нисвендер, доктор философии, директор отдела молекулярной фармакологии и доцент кафедры фармакологии Центра нейробиологии им. Вандербильта, также считает, что сотрудничество имело смысл. «Эта работа использовала уникальные сильные стороны команд Вандербильта и Скриппса в применении структурной биологии, молекулярного моделирования, фармакологии аллостерических модуляторов и взаимосвязей структура-активность для проверки структуры рецептора», — сказала она.
Вызов неизвестного
mGlu1 был особенно сложной темой исследования.
В общем, GPCR являются чрезвычайно хрупкими и хрупкими белками, если они не закреплены в их нативных клеточных мембранах.
Уговорить их выровняться, чтобы сформировать кристаллы, чтобы их структуру можно было определить с помощью рентгеновской кристаллографии, было сложной задачей. И рецептор mGlu1 особенно сложен, поскольку, помимо домена, охватывающего мембрану, он имеет большой домен, простирающийся во внеклеточное пространство. Более того, две копии этого многодоменного рецептора, связанные с димером, необходимы для передачи сигнала глутамата через мембрану.
Задача усложнялась тем, что не было шаблона для mGlu1 из близкородственных белков GPCR, который мог бы направить исследователей.
«MGlu1 принадлежит к GPCR класса C, структура которого ранее не была решена», — сказал аспирант TSRI Чонг Ван, первый автор нового исследования с аспирантом TSRI Хуэйсянь Ву. «Это сделало проект намного сложнее. Мы не могли использовать другие GPCR в качестве шаблона для разработки конструкций для экспрессии и стабилизации или для помощи в интерпретации данных дифракции. Структура была настолько разной, что пришлось использовать старые школьные методы для определения новой структуры белка.”
Удивительные результаты
Команда решила попытаться определить структуру mGlu1, связанного с новыми «аллостерическими модуляторами» mGlu1, предоставленными группой Vanderbilt.
Аллостерические модуляторы связываются с участком, удаленным от участка связывания природного активатора (в данном случае предположительно молекулы глутамата), но изменяют форму молекулы в достаточной степени, чтобы повлиять на функцию рецептора. В случае аллостерических лекарств-кандидатов есть надежда, что соединения влияют на функцию рецептора желательным терапевтическим путем.
«Аллостерические модуляторы — многообещающие кандидаты в лекарственные препараты, поскольку они могут« точно настроить »функцию GPCR», — сказала Карен Грегори, бывший научный сотрудник Университета Вандербильта, ныне работающая в Институте фармацевтических наук Монаша. «Однако без четкого представления о том, как лекарственные соединения взаимодействуют с рецептором, чтобы регулировать силу сигнала, усилия по открытию являются сложной задачей."
Команда приступила к применению комбинации методов, включая рентгеновскую кристаллографию, взаимосвязь структура-активность, мутагенез и моделирование полноразмерного димера.
В конце исследования они получили изображение с высоким разрешением mGlu1 в комплексе с одним из кандидатов в лекарство, а также более глубокое понимание функции рецептора и фармакологии.
Результаты показывают, что mGlu1 обладает структурными особенностями, как сходными, так и отличными от тех, что наблюдаются в других классах GPCR, но такими способами, которые невозможно было предсказать заранее.
«Самым удивительным является то, что вход в связывающий карман в трансмембранном домене почти полностью покрыт петлями, ограничивающими доступ для связывания аллостерических модуляторов», — сказал Всеволод «Сева» Катрич, доцент кафедры молекулярной биологии в TSRI и соавтор. автор статьи. «Это очень важно для понимания действия лекарств-аллостерических модуляторов и может частично объяснить трудности при скрининге таких лекарств.
«Структура рецептора mGlu1 теперь обеспечивает прочную платформу для гораздо более надежного моделирования близкородственных рецепторов, — продолжил он, — некоторые из них не менее важны для открытия лекарств.”