Канадские ученые из Оттавского университета совместно с коллегами из США и Франции обнаружили новый механизм работы нервно-мышечного синапса. Ученые впервые напрямую увидели и описали промежуточное состояние рецептора, которое возникает после того, как к нему присоединилась одна молекула нейромедиатора (ацетилхолина), но до того, как ионный каналокончательно открылся, чтобы пропустить ионы. Это открытие помогает объяснить, как действуют различные лекарства, токсины и как мутации вызывают болезни (например, врожденные миастенические синдромы). Статья опубликована в журнале Science.
На рисунке показана последовательная активация пентамерного рецептора, состоящего из пяти субединиц, каждая из которых показана градацией цвета от темного к светлому. Начальное состояние (закрытое) показано красным цветом. Происходит активация сначала одним (промежуточное состояние показано синим цветом), а потом и вторым лигандом (состояние показано зеленым цветом). Лиганды ACh показаны желтыми точками. Изображения получены с помощью моделирования методом молекулярной динамики.
Для исследования процесса открытия пентамерного лиганд-активируемого ионного канала, а по сути — синаптического взаимодействия нервов и мышц — использовался никотиновый ацетилхолиновый рецептор (nAChR). Этот процесс можно представить как открытие очень сложного сейфа: когда молекулы нейромедиатора ацетилхолина (ключи) садятся на две специальные площадки для связывания (замки), ионный канал (сейф) открывается, и через него в клетку устремляется поток ионов, что и приводит к возбуждению мышечной клетки и сокращению мышцы.
Последние 60 лет ученые исходили из предположения, что существует два состояния ионного канала (сейфа) — закрытое (без лигандов-ключей) и открытое (с двумя лигандами), а чтобы открыть канал, в этот сейф нужно вставить сразу два ключа и одновременно их повернуть (синхронность). Существовали предположения о полуоткрытом промежуточном состоянии, когда механизм открытия запущен, но сейф все еще закрыт. Ранее описать эти промежуточные состояния не получалось — не было адекватных методов анализа, а состояния такие нестабильны и длятся очень короткое время.
В новом исследовании с помощью криоэлектронной микроскопии (cryo-EM) и молекулярно-динамического моделирования удалось достоверно показать существование такого промежуточного состояния. Оказалось, что рецептор активируется не синхронно, а асинхронно: когда одна молекула ацетилхолина садится в свою «скважину», она заставляет субъединицу рецептора полностью переключиться в активную конформацию. При этом рецептор готов к активации, но ионный канал все еще закрыт. Только связывание второго лиганда приводит к открытию канала.
Авторы назвали это состояние, когда рецептор готов к активации, primed или «взведенное», а саму модель описали как bind-prime-bind, то есть “связывание (первого лиганда) — взведение — связывание (второго лиганда)“. Открытие таких промежуточных «взведенных» состояний имеет значение для целенаправленного поиска новых терапевтических агентов, модулирующих функцию рецептора через стабилизацию конкретных промежуточных состояний, что актуально для лечения ряда нейромышечных и неврологических заболеваний.
Текст: Юлия Баимова
Mackenzie J. Thompson et al, Asynchronous subunit transitions prime acetylcholine receptor activation. Science (2025). DOI: 10.1126/science.adw1264