Выяснено, как можно увидеть работу мембранных белков-рецепторов

Биофизики из МФТИ рассказали, как увидеть мембранные рецепторы в разных состояниях. Детальная информация о структуре и динамике таких белков позволит создавать эффективные и безопасные лекарства от многих заболеваний.

Выяснено, как можно увидеть работу мембранных белков-рецепторов / ©Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ

Работа была опубликована в журнале Current Opinion in Structural Biology. Клетки живых организмов ежесекундно получают огромное количество сигналов из окружающей их среды. Большинство сигналов передаются с помощью особых молекул-регуляторов (например, гормонов). Большинство сигнальных молекул не имеют способности проникать через плазматическую мембрану клетки, поэтому распознавание многих сигналов происходит непосредственно на плазматической мембране.

Для этого на ней расположены молекулы мембранных белков-рецепторов. Мембранные рецепторы — молекулярные «переводчики» сигнала с «внеклеточного языка» на внутриклеточный. Функционирование мембранных рецепторов жизненно важно для клеток и организма в целом. При нарушении работы рецепторов возникает ситуация, в которой клетки перестают понимать друг друга, что приводит к заболеваниям организма.

Одной из разновидностей мембранных рецепторов являются рецепторы, сопряженные с G-белком (GPCR – G-protein-coupled receptors). В основе структуры всех представителей данного семейства лежат семь спиралей, пронизывающих плазматическую мембрану (рисунок 1). Внутри клетки с таким рецептором связывается G-белок. При взаимодействии сигнальной молекулы с рецептором происходит изменение трехмерной структуры (конформации) рецептора, что приводит к активации G-белка. Активированный G-белок, в свою очередь, запускает сигнальный каскад внутри клетки, который приводит к ответу на сигнал.

Рисунок 1. Общий вид GPCR, связанного с G-белком / ©Анастасия Гусач / Пресс-служба МФТИ
Рисунок 1. Общий вид GPCR, связанного с G-белком / ©Анастасия Гусач / Пресс-служба МФТИ

Мембранные белки семейства GPCR оказались виновниками множества нейродегенеративных, сердечно-сосудистых заболеваний и некоторых видов рака. Также показано участие GPCR-белков в развитии ожирения, диабета, психических заболеваний и многих других патологий (риусонок 2). По этой причине рецепторы семейства GPCR стали мишенями для лекарств, позволяющих бороться с болезнями. Значительная доля лекарственных препаратов, присутствующих сейчас на фармацевтическом рынке, воздействуют именно на рецепторы данного семейства.

Рисунок 2. Основные рецепторы семейства GPCR, связанные с заболеваниями / ©Анастасия Гусач / Пресс-служба МФТИ
Рисунок 2. Основные рецепторы семейства GPCR, связанные с заболеваниями / ©Анастасия Гусач / Пресс-служба МФТИ

Один из современных подходов в разработке лекарств основан на исследовании трехмерной структуры молекул GPCR. Но в случае мембранных рецепторов, их применение представляет собой долгий и крайне трудоемкий процесс. И даже в случае успеха, полученные данные не отражают всей картины поведения молекулы в клетке.

«Перед учеными сейчас стоит выбор: «заморозить» белок в одном состоянии и получить точный «моментальный снимок», либо же увидеть его в динамике, но «размыто». В первом случае используется кристаллография или криоэлектронная микроскопия, во втором — спектроскопические методы», — комментирует Анастасия Гусач, научный сотрудник лаборатории структурной биологии рецепторов, сопряженных с G белком МФТИ.

Авторы работы показали, как, скомбинировав два подхода, структурный и спектроскопический, получить наиболее точную информацию о механизмах работы белков семейства GPCR (рисунок 3). Так методы электронного парамагнитного резонанса (DEER) и Фёрстеровского резонансного переноса энергии (FRET) выступают в роли «атомной линейки», обеспечивая точные измерения расстояния между отдельными атомами и их группами в белке.

Рисунок 3. Последовательность процессов, происходящих при активации рецептора семейства GPCR / ©Анастасия Гусач / Current Opinion in Structural Biology / Пресс-служба МФТИ
Рисунок 3. Последовательность процессов, происходящих при активации рецептора семейства GPCR / ©Анастасия Гусач / Current Opinion in Structural Biology / Пресс-служба МФТИ

Метод ядерного магнитного резонанса (NMR) позволяет увидеть общую форму молекулы рецептора, а модифицированные методы масс-спектрометрии (HRF-MS, HDX-MS) — проследить доступность отдельных групп атомов белка для растворителя, понять, какие части молекулы экспонированы наружу.

«Для исследования динамики работы GPCR рецепторов используются самые современные экспериментальные биофизические методы исследований — спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и методы продвинутой флуоресцентной микроскопии, в том числе микроскопии одиночных молекул», — говорит Алексей Мишин, заместитель руководителя лаборатории структурной биологии рецепторов, сопряженных с G-белком МФТИ.

«Исследователи, изучающие работу GPCR с помощью различных методов, сейчас все больше сотрудничают, организуя большие и продуктивные коллаборации. Мы надеемся, что этот обзор позволит различным специалистам в своих методах найти больше точек соприкосновения и в итоге получить более полное представление о жизни рецепторов», — дополняет Анастасия Гусач.

Полученная подробная информация о «жизни» мембранных рецепторов GPCR, об их переходах между различными состояниями с атомной точностью существенно расширяет возможности для рационального дизайна лекарств (Structure-Based Drug Design). Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Российского научного фонда. 

Источник: https://naked-science.ru/article/column/vyyasneno-kak-mozhno-uvidet-rabotu-membrannyh-belkov-retseptorov