Neue bahnbrechende Bilder eines der am schnellsten wirkenden Proteine des Gehirns liefern wichtige Hinweise, die zur Entwicklung gezielter Therapien zur Behandlung von Epilepsie und anderen Gehirnerkrankungen führen könnten. Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Journal Natur.
Die blitzschnellen Bewegungen des Kainatrezeptors im Gehirn sind für die Kommunikation zwischen Neuronen unabdingbar, stellen Strukturbiologen, die Bilder des Rezeptors in Aktion aufnehmen möchten, jedoch vor ein Dilemma.
Bei Aktivierung öffnet ein in die Oberfläche eines Neurons eingebetteter Kainatrezeptor seinen Ionenkanal und verschließt den Kanal dann innerhalb von Millisekunden.
„Das ist das Hauptproblem für Strukturbiologen: Sie müssen diese Moleküle kurz vor der Schließung des Kanals einfrieren“, sagt Alexander Sobolevsky, außerordentlicher Professor für Biochemie und Molekulare Biophysik am Vagelos College of Physicians and Surgeons der Columbia University, der das Team leitete, das die neuen Bilder erstellte.
„Aber es dauert etwa 30 Sekunden, ein Molekül einzufrieren, und das ist einfach zu langsam.“
Es ist nicht so, dass Strukturbiologen – Wissenschaftler, die Bilder von Lebensmolekülen aufnehmen und Modelle davon erstellen – es nicht versucht hätten.
Eine Funktionsstörung des Kainatrezeptors ist an Epilepsie beteiligt und steht im Zusammenhang mit vielen anderen Hirnerkrankungen, darunter Depressionen, Angstzustände und Autismus. Er ist ein begehrtes Ziel für Arzneimittelentwickler, aber nur wenige zugelassene Medikamente zielen sicher auf den Rezeptor ab.
„Jeder versucht, Bilder des Rezeptors in Aktion zu bekommen, damit wir seine Funktionsweise verstehen und Medikamente zu seiner Kontrolle entwickeln können“, sagt Sobolevsky.
Erfolg mit zwei Innovationen
„Die Aufnahme von Bildern des aktiven Rezeptors war ein seit langem bestehendes wissenschaftliches Problem, das wir zu lösen versuchten“, sagt Shanti Pal Gangwar, eine assoziierte Wissenschaftlerin in Sobolevskys Labor. Die Zeit, die der Kanal während der Aktivierung geöffnet bleibt, einige Millisekunden, ist zu kurz, um den Rezeptor für die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) auf herkömmliche Weise einzufrieren, die Strukturbiologietechnik, die Sobolevskys Labor zur Abbildung von Molekülen des Lebens verwendet.
Um Bilder des Rezeptors in Aktion zu erhalten, entwickelte das Sobolevsky-Team zwei verschiedene Tricks, die das Schließen des Kanals verlangsamen und den Gefrierprozess beschleunigen.
Zunächst suchte das Team nach Molekülen, die am Rezeptor haften und ihn offen halten. Sie fanden zwei solche Moleküle – BPAM und das Lektin Concanavalin A. Das kleine, medikamentenähnliche Molekül BPAM verlängerte die Kanalöffnung um einige hundert Millisekunden, aber die Verzögerung reichte immer noch nicht aus, um den Kanal in einem offenen Zustand zu halten. Erst nach Zugabe des Lektins, eines Proteins, das an Zucker bindet, die Glykoproteine dekorieren, blieb der Kanal mehrere Sekunden lang offen.
Elektrophysiologische Aufzeichnungen waren der Schlüssel zur Ermittlung des Zeitpunkts. „Mit diesen Aufzeichnungen stellte ich fest, dass BPAM oder Lektin allein nicht in der Lage waren, den Kanal lange genug offen zu halten“, sagt Maria Yelshanskaya, eine assoziierte Wissenschaftlerin in Sobolevskys Labor und Expertin für Elektrophysiologie.
„Als ich die synergistische Wirkung von BPAM und Lektin zusammen sah, war das für uns wie ein Heureka-Moment.“
Mehrere Sekunden waren für das herkömmliche Kryo-EM-Gefrieren noch zu schnell, da es etwa 30 Sekunden dauert, die Probe in flüssiges Ethan zu tauchen und für die Bildgebung vorzubereiten. Daher entwickelte Kirill Nadezhdin, ein Postdoktorand im Sobolevsky-Labor, einen Roboterkolben, der die Probe in weniger als 3 Sekunden eintaucht und die Rezeptoren (gebunden an BPAM und Lektin) in einem offenen Zustand einschließt.
Mithilfe des Roboterkolbens und der molekularen Stabilisatoren nahm Sobolevskys Team Bilder des Kainatrezeptors in einer Vielzahl offener Konfigurationen auf.
„Beide Innovationen waren notwendig“, sagt Sobolevsky. „Mit nur einer der beiden Methoden hätten wir die offenen Zustände des Rezeptors nicht erfassen können.“
Bilder liefern Hinweise für neue Medikamente
Die Bilder des offenen Kainatrezeptors liefern wichtige Informationen für Arzneimittelentwickler.
Einige Medikamente, Ionenkanalblocker, wirken wie Korken in Weinflaschen und verschließen offene Kanäle. „Man braucht die Struktur eines offenen Kanals, um ein Medikament zu entwickeln, das perfekt von Atom zu Atom passt“, sagt Sobolevsky.
Die Bilder zeigen auch, wie Perampanel, ein Epilepsiemedikament, das auf Kainatrezeptoren abzielt, optimiert werden könnte, um bestimmte Versionen von Kainatrezeptoren anzusprechen und den Patienten präzisere Medikamente bereitzustellen. Mitarbeiter verwenden Sobolevskys Laborbilder bereits, um mit Computermodellen mögliche Änderungen am Medikament zu untersuchen.
Die von Sobolevskys Team entwickelten Methoden sollten anderen Forschern helfen, mehr Bilder von offenen Kainatrezeptoren und anderen Arten von Molekülen zu erhalten, die schnell wirken.
„Je mehr Bilder wir haben, desto besser werden die Modelle und desto besser werden hoffentlich auch unsere Medikamente“, sagt Sobolevsky.
Mehr Informationen:
Shanti Pal Gangwar et al, Kainat-Rezeptor-Kanal-Öffnung und Gating-Mechanismus, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07475-0