In einer neuen Studie an der University of California, Irvine, haben Forscher die Auswirkungen nativer Lipide auf die Rhodopsin-Signalübertragung und -Regeneration aufgezeigt, was ein neues Paradigma für die Entdeckung von Medikamenten einleiten könnte, die auf G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) abzielen.
GPCRs sind Zelloberflächenrezeptoren, die auf eine Vielzahl von Stimuli reagieren, um Signalwege durch Zellmembranen zu aktivieren. Alle GPCRs sind membrangebunden und wurden selten in ihrer nativen Membranumgebung untersucht. Jüngste Fortschritte haben zu atomaren Strukturen von Schlüsselzwischenprodukten und Rollen für Lipide bei der Vermittlung der Signalübertragung geführt. Die Erfassung von Signalereignissen eines Wildtyp-Rezeptors in Echtzeit über eine native Membran bis hin zu seinen nachgeschalteten Effektoren war jedoch bisher schwer fassbar. Diese Rezeptoren stellen bei weitem die größte Klasse von Arzneimittelzielen dar, und eine große Anzahl zugelassener Arzneimittel moduliert ihre Funktionen.
In dieser neuen Studie, die heute in veröffentlicht wurde Naturmit dem Titel „Capturing a rhodopsin receptor signaling cascade across a native membrane“ untersuchten die Forscher mithilfe von Massenspektrometrie den Archetyp-Klasse-A-GPCR, Rhodopsin, direkt in Fragmenten nativer Scheibenmembranen. Sie überwachten die Photoumwandlung von dunkeladaptiertem Rhodopsin in Opsin in Echtzeit, beschrieben die schrittweise Isomerisierung von Retinal und die Hydrolyse des Retinal-Opsin-Addukts und entdeckten weiter, dass die Reaktion in ihrer natürlichen Membranumgebung deutlich langsamer ist als in künstlichen Detergensmizellen.
„Menschliche Krankheiten, von Krebs über Herz-Kreislauf-Erkrankungen bis hin zur Erblindung, werden alle stark durch die Funktion von GPCRs beeinflusst. Neben der quantitativen Analyse der Signalfunktion hat diese neuartige Technologie zum ersten Mal die direkte Erkennung neuer potenzieller Angriffspunkte ermöglicht von therapeutischem Wert für das visuelle System innerhalb der nativen Membranen. Ich bin überzeugt, dass analoge Arbeiten an vielen anderen GPCR-Systemen durchgeführt werden „, erklärte Krzysztof Palczewski, Ph.D., Donald-Bren-Professor für Augenheilkunde an der UCI School of Medicine und Mitautor.
Anhand der mit Rhodopsin aus den Membranfragmenten im Massenspektrometer ausgestoßenen Lipide konnten die Forscher zeigen, dass Opsin in den Membranen durch photoisomerisierte Retinal-Lipid-Konjugate regeneriert werden kann, und Hinweise auf eine verstärkte Assoziation von Rhodopsin mit ungesättigtem langkettigem Phosphatidylcholin erhalten während der Signalübertragung.
Das Team erfasste auch die sekundären Schritte der Signalkaskade nach der Rhodopsin-Aktivierung. Sie beobachteten die Lichtaktivierung von Transducin (Gt) und die Dissoziation von Guanosindiphosphat (GDP), um intermediäres apo-trimeres G-Protein zu erzeugen, und beobachteten, dass Gta.GTP-Untereinheiten mit der Phosphodiesterase 6 (PDE6) interagieren, die in Zapfen- und Stäbchen-Photorezeptorzellen gefunden wird, die das hydrolysiert sekundäres Messenger-Molekül zyklisches Guanosinmonophosphat (cGMP).
„Durch die Anwendung von Rhodopsin-Targeting-Verbindungen haben wir gezeigt, wie sie die Signalübertragung über die Rhodopsin-Opsin- und Transducin-Signalwege entweder stimulieren oder dämpfen“, sagte Palczewski. „Durch sofortige Lichtblitze, synchronisiert mit Aufzeichnungen auf einem Massenspektrometer, konnten wir die Signalkaskade erfassen und die Rolle von Lipiden und Liganden bei der Rhodopsin-Signalübertragung aufzeigen neuer Weg, um die Pharmakologie membrangebundener Rezeptoren zu untersuchen.“
Siyun Chen et al., Erfassung einer Rhodopsin-Rezeptor-Signalkaskade über eine native Membran, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04547-x