מבנה GPCR: מחקר מגלה מקורות מולקולריים של תפקוד עבור יעד תרופה מרכזי

פרסומת
X-ray_Promo1


באמצעות שיתוף פעולה בינלאומי, מדענים מבית החולים לחקר הילדים של סנט ג'וד מינפו את מדע הנתונים, הפרמקולוגיה והמידע המבני כדי לבצע חקירה ברמה האטומית כיצד כל חומצת אמינו בקולטן הקושרת אדרנלין תורמת לפעילות הקולטן בנוכחות הליגנד הטבעי הזה. . הם גילו בדיוק אילו חומצות אמינו שולטות בתכונות הפרמקולוגיות העיקריות של הליגנד. הקולטן לאדרנלין שנחקר הוא חבר במשפחת קולטני חלבון G (GPCR), ומשפחה זו היא היעד של שליש מכל התרופות המאושרות על ידי מינהל המזון והתרופות (FDA). לפיכך, ההבנה כיצד מגיבים GPCRs לליגנדים טבעיים או טיפוליים היא קריטית לפיתוח טיפולים חדשים עם השפעות מדויקות על פעילות הקולטנים. העבודה פורסמה היום ב מַדָע.

פרסומת

כדי להבין איך עובד שעון, אפשר לפרק אותו, חלק אחר חלק, וללמוד את התפקיד שמילא כל רכיב בתפקוד שמירת הזמן שלו. באופן דומה, בחלבון כגון GPCR, כל חומצת אמינו עשויה למלא תפקיד שונה באופן שבו החלבון מגיב לאות חיצוני. חוקרים בסנט ג'וד, בשיתוף עם מדענים מאוניברסיטת סטנפורד, אוניברסיטת מונטריאול, מעבדת MRC לביולוגיה מולקולרית ואוניברסיטת קיימברידג', חקרו את הקולטן β2-אדרנרגי (β2AR) על ידי החלפת חומצת אמינו אחת בכל פעם כדי להבין את התרומה של כל חומצת אמינו בקולטן זה כדי לתווך תגובת איתות.

"מדענים לומדים כיצד גנים תורמים לתפקוד התא על ידי שיבושם אחד בכל פעם. שאלנו, 'למה שלא ניקח את הרמה הזאת לעומק? בואו נבין איך כל חומצת אמינו תורמת לתפקוד של קולטן על ידי מוטציה שלהם, אחת חומצת אמינו בכל פעם", אמר הכותב השותף M. Madan Babu, PhD, מהמחלקה לביולוגיה מבנית של סנט ג'וד, מנהל מרכז המצוינות לגילוי מבוסס-נתונים והק"ר ג'ורג' ג'יי פדרסן למדעי נתונים ביולוגיים. . "באמצעות האבולוציה, כל חומצת אמינו בקולטן מפוסלת בצורה כזו או אחרת כדי להבטיח שהיא קושרת את הליגנד הטבעי, במקרה הזה אדרנלין, ומעוררת את התגובה הפיזיולוגית המתאימה".

מציאת פונקציה בטופס

GPCRs הם חלבונים המשתרעים על ממברנת התא ומחברים את החלק החיצוני של התא לסביבתו הפנימית על ידי העברת אותות חיצוניים אל פנים התא. במקרה של β2AR, אדרנלין נקשר ל-GPCR בחלק שמחוץ לתא, מה שגורם לתגובה בתוך התא.

כאשר ליגנד נקשר, הוא גורם לשינויים בצורת הקולטן, במיוחד באזור התוך תאי של הקולטן שבו חלבון G נקשר. אתרי הקישור לליגנד ולחלבון G נמצאים בצדדים מנוגדים של החלבון אך מתחברים דרך רשת מורכבת של מגעים של חומצות אמינו המשתרעות על כל החלבון. שינויים קונפורמציוניים (צורה) בתוך ה-GPCR מפעילים את חלבון G כדי לעורר תגובת איתות במורד הזרם בתוך התא. באמצעות השפעות על רקמות מרובות ו-GPCRs, כולל β2AR, אדרנלין יכול לעורר את תגובת הילחם או ברח, כגון במהלך עליית אדרנלין.

כדי להבין את התפקיד של כל חומצת אמינו ב-GPCR, פרנציסקה היידנריך, PhD, כעת מאוניברסיטת פיליפס במרבורג, המנהלת והמשתתפת של הפרויקט הזה, עשתה מוטציה לכל אחת מ-412 חומצות האמינו ב-β2AR. לאחר מכן היא העריכה את התגובה של כל מוטנט לליגנד אדרנלין וקבעה את התכונות הפרמקולוגיות הקלאסיות של יעילות ועוצמה. יעילות מודדת את התגובה המקסימלית שליגנד יכול לעורר, והעוצמה מודדת את כמות הליגנד הנדרשת כדי לעורר מחצית מהתגובה המקסימלית. המטרה הייתה לחשוף, בקנה מידה אטומי, כיצד כל חומצת אמינו תורמת לתכונות הפרמקולוגיות הללו.

"למרבה ההפתעה, רק כ-80 מתוך יותר מ-400 חומצות אמינו תרמו לתכונות הפרמקולוגיות הללו. מבין חומצות האמינו הרלוונטיות הפרמקולוגית הללו, רק שליש נמצאו באזורים שבהם הליגנד או חלבון ה-G נקשרו לקולטן", אמר היידנריך.

"זה היה מרתק לראות שיש כמה חומצות אמינו השולטות ביעילות, כמה ששולטות בעוצמה ואחר כך יש אחרות שמשפיעות על שתיהן", אמר באבו. "זה אומר שאם אתה רוצה לייצר תרופה חזקה יותר או יעילה יותר, אתה יודע עכשיו שיש שאריות ספציפיות שהליגנד החדש צריך להשפיע עליהן." החוקרים ציינו גם כי התרומה האישית של כל שאריות ליעילות ולעוצמה לא הייתה שווה, מה שמרמז על הזדמנויות נוספות לכוונון עדין של תגובות תרופות תוך תכנון ליגנדים טיפוליים חדשים.

"יעילות ועוצמה נמדדו עבור מספר מערכות איתות קולטני ליגנד במשך כמה עשורים. כעת אנו יכולים להבין כיצד חומצות אמינו ספציפיות ברצף של חלבון יכולות להשפיע על התכונות הפרמקולוגיות הללו", הסביר באבו.

"היבט מרתק של התוצאות הוא שניתן לווסת את העוצמה והיעילות ללא תלות זה בזה באמצעות מנגנונים שונים. זה מספק בסיס להבנה כיצד שונות גנטית משפיעה על תגובות תרופות בקרב אנשים", דוקטור מישל בובייר, מחבר שותף מ- הוסיפו המחלקה לביוכימיה ורפואה מולקולרית ומנהל כללי של המכון לחקר אימונולוגיה וסרטן של אוניברסיטת מונטריאול.

רשת יפה

מחקר קודם המחיש את המבנה של המצב הפעיל והלא פעיל של β2AR כאחד. בהתבסס על ידע זה, החוקרים פתחו בחקירה חדשה. הם בדקו האם שני שליש מחומצות האמינו הרלוונטיות לפרמקולוגית שהוכחו בעבר כלא מעורבות בקשירה של ליגנד או חלבון G עשויים למלא תפקיד במעבר בין המצב הפעיל והלא פעיל של הקולטן.

"התחלנו להסתכל באופן שיטתי על כל מגע שאריות ייחודי למצב הפעיל", אמר היידנריך, "כדי להבין האם כל חומצות האמינו היוצרות מגע במצב פעיל חשובות".

החוקרים פיתחו מסגרת מדעית לשילוב נתונים פרמקולוגיים ומבניים באופן שיטתי וחשפו את התמונה המקיפה הראשונה של איתות GPCR. "כשמיפינו את הנתונים הפרמקולוגיים על המבנה, הם יצרו רשת יפה", אמר באבו.

"זה סיפק תובנות חדשות לגבי הרשת האלוסטרית המקשרת את כיס קושר הליגנד לאתר הקישור של חלבון G השולט ביעילות ובעוצמה." הוסיף בריאן קובילקה, סופר מתכתב וחתן פרס נובל לכימיה לשנת 2012 מבית הספר לרפואה של אוניברסיטת סטנפורד.

על ידי הבנת איתות GPCR ברמה האטומית, החוקרים אופטימיים שהם יכולים להתחיל לחקור אפילו יותר עמוק – כדי לראות את תת-המצבים החולפים בין הקונפורמציות הפעילות והלא-פעילות ולחקור את הנוף הקונפורמטיבי של חלבונים.

"עכשיו אנחנו יודעים לאילו מוטנטים ללכת, אלו שמשפיעים רק על היעילות, העוצמה או שניהם", אמר היידנריך.

"כעת, אנו יכולים לבצע חישובי דינמיקה מולקולרית וניסויים של מולקולה בודדת באותם מוטנטים כדי לחשוף את המנגנונים המדויקים שבאמצעותם הרשת האלוסטרית משפיעה על היעילות והעוצמה לתווך תגובת איתות. זהו כיוון שאנו חותרים אליו באמצעות מחקר סנט ג'וד שיתוף פעולה בנושאי GPCR הכוללים PI ממספר מוסדות". באבו הסביר.

מלבד שאריות ה"נהג" הללו המעורבות בתיווך קשרים פעילים ספציפיים למדינה ומשפיעות על הפרמקולוגיה בעת מוטציה, באבו ועמיתיו מתכוונים לחקור ממצאים מרכזיים נוספים שנחשפו בעבודה זו. הם שואפים לחקור חומצות אמינו "נוסע" שלמרות יצירת קשרים במצב פעיל, אינן משפיעות על היעילות או העוצמה בעת מוטציה. הם גם מעוניינים בשאריות "מאפנן" שאינן מתווך מגעים פעילים ספציפיים למדינה אלא משנים את הפרמקולוגיה כאשר עוברים מוטציה. גישת מדעי הנתונים שלהם, המשלבת מידע מבני ומדידות פרמקולוגיות, אינה מוגבלת ל-β2AR. ניתן להרחיב את זה לכל GPCR כדי לשפר את ההבנה שלנו של המכניקה השולטת במעמד מכריע זה של מטרות תרופות.



קישור לכתבת המקור – 2023-12-21 23:22:30

Facebook
Twitter
LinkedIn
Telegram
WhatsApp
Email
פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות

עוד מתחומי האתר