Исследование раскрывает молекулярные основы функции ключевой мишени для лекарств
Учёные из Детской исследовательской больницы Сент-Джуд в международной коллаборации использовали науку о данных, фармакологию и структурную информацию для изучения на атомном уровне того, как каждый аминокислотный остаток в рецепторе, связывающем адреналин, влияет на активность рецептора в присутствии этого естественного лиганда.
Было обнаружено, какие именно аминокислоты контролируют ключевые фармакологические свойства лиганда. Изучаемый адреналиновый рецептор относится к семейству G-белок-сопряжённых рецепторов (GPCR), на которые нацелена треть всех одобренных FDA лекарств. Поэтому понимание того, как GPCR реагируют на естественные или терапевтические лиганды, критически важно для разработки новых методов лечения с точным воздействием на активность рецептора.
Исследование опубликовано в журнале Science.
Учёные из Сент-Джуда совместно с коллегами исследовали β2-адренорецептор (β2AR), заменяя по одной аминокислоте, чтобы понять вклад каждого остатка в опосредование сигнального ответа.
"Через эволюцию каждая аминокислота в рецепторе была так или иначе отшлифована, чтобы обеспечить связывание естественного лиганда, в данном случае адреналина, и вызов соответствующего физиологического ответа", — пояснил соавтор М. Мадан Бабу.
Поиск функции в структуре
GPCR — это белки, пронизывающие мембрану клетки и передающие внешние сигналы внутрь. Когда лиганд (адреналин) связывается с внеклеточной частью β2AR, это вызывает конформационные изменения в рецепторе, активирующие G-белок на внутриклеточной стороне, что запускает каскад сигналов.
Франциска Хайденрайх мутировала каждую из 412 аминокислот в β2AR и оценила ответ каждого мутанта на адреналин, определив классические фармакологические свойства — эффективность (максимальный ответ) и потенцию (количество лиганда для полумаксимального ответа).
Ключевые результаты:
- Только около 80 из более чем 400 аминокислот влияли на эти фармакологические свойства.
- Из этих значимых аминокислот лишь одна треть находилась в областях связывания лиганда или G-белка.
- Одни аминокислоты контролируют только эффективность, другие — только потенцию, третьи влияют на оба параметра.
- Вклад каждого остатка в эффективность и потенцию не был равным, что открывает возможности для тонкой настройки лекарств.
"Теперь мы можем понять, как конкретные аминокислоты в последовательности белка влияют на эти фармакологические свойства", — отметил Бабу.
"Потенция и эффективность могут регулироваться независимо друг от друга через различные механизмы. Это даёт основу для понимания того, как генетические вариации влияют на ответ на лекарства у разных людей", — добавил Мишель Бувье.
Прекрасная сеть
Используя данные о структурах активного и неактивного состояния β2AR, исследователи разработали научно-вычислительный подход для интеграции фармакологических и структурных данных.
"Когда мы нанесли фармакологические данные на структуру, они образовали прекрасную сеть", — сказал Бабу.
"Это дало новое понимание аллостерической сети, связывающей сайт связывания лиганда с сайтом связывания G-белка, которая управляет эффективностью и потенцией", — добавил Брайан Кобилка, лауреат Нобелевской премии по химии 2012 года.
Классификация аминокислот по данным исследования:
- "Драйверы" — остатки, участвующие в контактах, специфичных для активного состояния, и влияющие на фармакологию при мутации.
- "Пассажиры" — остатки, которые образуют контакты в активном состоянии, но не влияют на эффективность или потенцию при мутации (их планируется изучить).
- "Модуляторы" — остатки, которые не опосредуют специфичные для активного состояния контакты, но изменяют фармакологию при мутации (их также планируется изучить).
Этот подход, интегрирующий структурную информацию и фармакологические измерения, не ограничен β2AR. Его можно применить к любому GPCR, чтобы углубить понимание механизмов, управляющих этим важнейшим классом мишеней для лекарств.