Navorsers by The Scripps Research Institute (TSRI) en Vanderbilt Universiteit het die mees gedetailleerde 3-D prentjie tot nog toe geskep van 'n membraanproteïen wat gekoppel is aan leer, geheue, angs, pyn en breinafwykings soos skisofrenie, Parkinson's, Alzheimers en outisme.
"Hierdie reseptorfamilie is 'n opwindende nuwe teiken vir toekomstige medisyne vir die behandeling van breinafwykings," het P. Jeffrey Conn, PhD, Lee E. Limbird Professor in Farmakologie en direkteur van die Vanderbilt Sentrum vir Neurowetenskap Dwelm Discovery, wat 'n senior skrywer van die studie was saam met Raymond Stevens, PhD, 'n professor in die Departement van Integrerende Strukturele en Rekenaarbiologie by TSRI. "Hierdie nuwe begrip van hoe dwelmagtige molekules die reseptor op 'n atoomvlak betrek, beloof om 'n groot impak te hê op nuwe geneesmiddelontdekkingspogings."
Die navorsing - wat op die mGlu1-reseptor fokus - is gerapporteer in die 6 Maart 2014-uitgawe van die joernaal Science.
A Family of Drug Targets
Die mGlu1-reseptor, wat help om die neurotransmitter glutamaat te reguleer, behoort aan 'n superfamilie van molekules bekend as G-proteïengekoppelde reseptore (GPCR's).
GPCR'e sit in die selmembraan en voel verskeie molekules buite die sel, insluitend reuke, hormone, neuro-oordragstowwe en lig. Nadat hierdie molekules gebind is, veroorsaak GPCR's 'n spesifieke reaksie binne die sel. Meer as een derde van terapeutiese middels teiken GPCR's - insluitend allergie- en hartmedikasie, middels wat die sentrale senuweestelsel teiken en anti-depressante.
Die Stevens-laboratorium se werk het gedraai rondom die bepaling van die struktuur en funksie van GPCR's. GPCR's word nie goed verstaan nie en baie fundamentele deurbrake vind nou plaas as gevolg van die begrip van GPCR's as komplekse masjiene, noukeurig gereguleer deur cholesterol en natrium.
Toe die Stevens-groep besluit het om die struktuur van mGlu1 en ander sleutellede van die mGlu-familie na te streef, was dit natuurlik dat die wetenskaplikes na die navorsers by Vanderbilt uitgereik het. "Hulle is die beste ter wêreld om mGlu-reseptore te verstaan," het Stevens gesê. "Deur met kundiges in spesifieke reseptorsubfamilies saam te werk, kan ons ons doelwit bereik om die menslike GPCR-superfamilie te verstaan en hoe GPCR's menslike selseine beheer."
Colleen Niswender, PhD, direkteur van Molekulêre Farmakologie en navorsingsmedeprofessor in Farmakologie by die Vanderbilt Sentrum vir Neurowetenskap Dwelmontdekking, het ook gedink die samewerking het sin gemaak."Hierdie werk het die unieke sterkpunte van die Vanderbilt- en Scripps-spanne benut in die toepassing van strukturele biologie, molekulêre modellering, allosteriese modulator-farmakologie en struktuur-aktiwiteit-verhoudings om die reseptorstruktuur te valideer," het sy gesê.
Die uitdaging van die onbekende
mGlu1 was 'n besonder uitdagende navorsingsonderwerp.
Oor die algemeen is GPCR's uiters dun, brose proteïene wanneer dit nie in hul eie selmembrane geanker is nie. Om hulle te lok om kristalle te vorm, sodat hul strukture deur middel van X-straalkristallografie bepaal kan word, was 'n geweldige uitdaging. En die mGlu1-reseptor is veral lastig aangesien dit, benewens die domein wat oor die membraan strek, 'n groot domein het wat tot in die ekstrasellulêre ruimte strek. Boonop is twee kopieë van hierdie multidomeinreseptor wat in 'n dimeer assosieer nodig om glutamaat se sein oor die membraan te stuur.
Die taak is moeiliker gemaak omdat daar geen sjabloon vir mGlu1 van naverwante GPCR-proteïene was om die navorsers te lei nie.
“mGlu1 behoort aan klas C GPCR's, waarvan geen struktuur voorheen opgelos is nie,” het TSRI-gegradueerde student Chong Wang, 'n eerste skrywer van die nuwe studie met TSRI-gegradueerde student Huixian Wu, gesê. “Dit het die projek baie moeiliker gemaak. Ons kon nie ander GPCR's as 'n sjabloon gebruik om konstrukte vir uitdrukking en stabilisering te ontwerp of om diffraksiedata te help interpreteer nie. Die struktuur was so anders dat ou skoolmetodes in nuwe proteïenstruktuurbepaling gebruik moes word.”
Verrassende resultate
Die span het besluit om te probeer om die struktuur van mGlu1 te bepaal wat gebind is aan nuwe “allosteriese modulators” van mGlu1 wat deur die Vanderbilt-groep bygedra is. Allosteriese moduleerders bind aan 'n plek ver weg van die bindingsplek van die natuurlike aktiveerder (in hierdie geval, vermoedelik die glutamaatmolekule), maar verander die vorm van die molekule genoeg om reseptorfunksie te beïnvloed. In die geval van allosteriese geneesmiddelkandidate is die hoop dat die verbindings die reseptorfunksie op 'n gewenste, terapeutiese manier beïnvloed.
"Allosteriese modulators is belowende geneesmiddelkandidate, aangesien hulle GPCR-funksie kan 'fyn instel'," het Karen Gregory, 'n voormalige nadoktorale genoot by Vanderbilt Universiteit, nou by Monash Institute of Pharmaceutical Sciences, gesê. "Maar sonder 'n goeie idee van hoe dwelmagtige verbindings met die reseptor in wisselwerking tree om die sterkte van die sein aan te pas, ontdekkingspogings is uitdagend."
Die span het voortgegaan om 'n kombinasie van tegnieke toe te pas, insluitend X-straalkristallografie, struktuur-aktiwiteit-verwantskappe, mutagenese en vollengte-dimeermodellering. Aan die einde van die studie het hulle 'n hoë-resolusiebeeld van mGlu1 in kompleks met een van die geneesmiddelkandidate verkry, sowel as 'n dieper begrip van die reseptor se funksie en farmakologie.
Die bevindinge toon dat mGlu1 strukturele kenmerke besit wat soortgelyk is aan en verskil van dié wat in ander GPCR-klasse gesien word, maar op maniere wat onmoontlik sou gewees het om vooraf te voorspel.
“Die mees verrassende is dat die ingang na 'n bindingsak in die transmembraandomein byna heeltemal deur lusse bedek word, wat toegang vir die binding van allosteriese modulators beperk,” sê Vsevolod “Seva” Katritch, assistent-professor in molekulêre biologie by TSRI en 'n mede-outeur van die referaat. “Dit is baie belangrik om die werking van die allosteriese modulatormiddels te verstaan en kan gedeeltelik probleme met die sifting vir sulke middels verduidelik.
"Die mGlu1-reseptorstruktuur bied nou 'n soliede platform vir baie meer betroubare modellering van naverwante reseptore," het hy voortgegaan, "waarvan sommige ewe belangrik is in die ontdekking van geneesmiddels."
