В статье, опубликованной в 2017 году в Nature Chemical Biology, ученые из Университета Райса и Научного центра здоровья Университета Техаса в Хьюстоне (UTHealth) подробно описывают динамику изменения рецепторами своей формы для контроля чувствительности нервных ворот к химическим сигналам. Это поможет лучше понять механизмы неврологических заболеваний и создать более тонко работающие лекарства.
Для решения задачи ученые использовали одномолекулярные методы визуализации FRET (фёрстеровский механизм индуктивного резонанса: способ использовать свет, излучаемый двумя флуоресцентными мечеными молекулами как чувствительную «линейку» для очень малых расстояний). С его помощью они смогли наблюдать, как работают «ворота» NMDA-рецептора (ионотропный рецептор глутамата, селективно связывающий N-метил-D-аспартат (NMDA)), которые при активации позволяют ионам проходить через мембрану нервных клеток.
На изображении показаны четыре субъединицы белков рецептора NMDA. Они могут находиться во множестве состояний, тем самым регулируя прохождение электрических сигналов через мембрану нервной клетки. Субъединицы активируются, связывая лиганды нейротрансмиттеров глутамата и глицина и запускают сигнальный путь, который позволяет положительно заряженным ионам проходить в клетку.
Авторы исследования, химик из Университета Райса Кристи Лэндс, эксперт в одномолекулярном FRET, и Васанти Джаяраман, профессор биохимии и молекулярной биологии в Медицинской школе МакГоверн из UTHealth, вместо обычного набора статичных данных рентгеновской кристаллографии, смогли динамически измерить изменения расстояния между субъединицами по каналу. «Это намного сложнее, но дало набор данных, похожий больше на фильм, чем на снимок», – сказала Лэндс.
Исследователи стремились понять, как открывается канал – как белки, составляющие канал рецептора NMDA, движутся, чтобы активировать ионный затвор, позволяющий химическим сигналам преобразовываться в электрические. Используя флуоресцентные метки, они смогли сопоставить энергетический ландшафт трансмембранного сегмента белка в состоянии покоя и под влиянием лигандов, которые определяют состояния ворот – открытые, закрытые или промежуточные. Структурное состояние каждого канала напрямую влияет на проходимость электрического сигнала.
Они обнаружили, что состояние покоя, без агониста, является структурно жестким, что подтвердило его энергетическую устойчивость к принятию конформаций, которые позволили бы открыть канал. Агонисты, такие как глутамат, являются целевыми химическими веществами, которые запускают электрический сигнал через канал. Исследователи подтвердили, что в присутствии первичного агониста канал NMDA был менее жестким и, следовательно, мог легче переключаться между возможными конформациями, при которых канал открыт или частично открыт. Исследование также подтвердило то, что два модулятора взаимодействуют на различные части конформации и, таким образом, влияют на жесткость рецепторного канала в целом.
«Эти рецепторы имеют решающее значение для нормальной физиологической функции, – сказала Джаяраман. «Как только мы поймем все состояния белка, мы можем начать думать о том, как это сделать, как сохранять активность белка и варьировать степень активации по мере необходимости. Мы смогли сделать и то, и другое. Для разработки лекарств важно понять эту динамику, потому что движения и энергетические свойства этих белков диктуют свои конкретные функции».
Угнетение функции рецепторов NMDA может быть связано с различными неврологическими заболеваниями: например, оно, вероятно, связано с дефицитом памяти, возникающим при старении. Сейчас не существует лекарств, избирательно работающих со степенью активации белков, участвующих в работе этих рецепторов. Известные антагонисты NMDA-рецепторов – общие анестетики, синтетические опиоиды, такие как метадон, и диссоциативные препараты, такие как кетамин и закись азота. Например, известно, что алкоголь ингибирует глутамат, один из двух нейротрансмиттеров, которые связываются с NMDA.
Данные, полученные в исследовании, могут привести к созданию многофункциональных препаратов, которые будут тонко влиять на каналы, говорит Лэндс.
«Часто, создавая лекарства, заходят в тупик из-за краеугольного принципа: вы либо что-то включаете, либо что-то отключаете», – продолжает она. «Но очевидно, что этот тип рецепторного белка не просто включен или выключен. Существует несколько конформационных взаимодействий, которые либо улучшают, либо ухудшают передачу сигнала».
Текст: Полина Гершберг
Dolino, D., Chatterjee, S., MacLean, D. et al. The structure–energy landscape of NMDA receptor gating. Nat Chem Biol 13, 1232–1238 (2017). https://doi.org/10.1038/nchembio.2487
Читайте материалы нашего сайта в Facebook, ВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.