Wie das Sprichwort sagt, braucht es ein ganzes Dorf, um ein Kind großzuziehen. Es kann auch ein ganzes Dorf brauchen, um Fortschritte in Wissenschaft und Medizin zu machen.
In diesem Fall kamen Labore aus nicht einer, nicht zwei, sondern drei Abteilungen des Blavatnik-Instituts der Harvard Medical School zusammen mit einem Kollegen in Frankreich zusammen, um die Struktur eines kniffligen Rezeptors herauszufinden, der an Herz, Lunge, Leber, und Nierenfunktion sowie Schwangerschaft.
Diese Struktur entwirren, beschrieben am 20. April in Naturchemische Biologie, bietet eine Grundlage für die Entwicklung von Arzneimitteln, die auf den Rezeptor einwirken, mit dem Ziel, Herzkrankheiten und Zustände zu behandeln, die durch den Aufbau von Narbengewebe oder Fibrose gekennzeichnet sind. Dazu gehören idiopathische Lungenfibrose, eine chronische Erkrankung der Lunge; nicht alkoholische Fettleber; und Sklerodermie, die Haut, Gelenke und innere Organe befällt.
Die Arbeit könnte auch das Interesse anderer Wissenschaftler wecken, die sich mit Grundlagenbiologie befassen, da der Rezeptor eine ungewöhnliche Struktur hat, die sich von anderen Mitgliedern seiner Familie, den G-Protein-gekoppelten Rezeptoren, abhebt.
„Dies war ein sehr schwer zu charakterisierender Rezeptor“, sagte Seniorautor Andrew Kruse, HMS-Professor für biologische Chemie und molekulare Pharmakologie. „Die Zusammenarbeit mehrerer Labore war unerlässlich, und das Projekt unterstreicht den Wert der Kombination von experimentellen und rechnerischen Methoden.“
„Sie haben viele großartige Möglichkeiten bei HMS, mit talentierten Wissenschaftlern zusammenzuarbeiten, die andere Techniken anwenden als Sie“, stimmte Sarah Erlandson zu, die die Arbeit als Doktorandin im Kruse-Labor leitete. „Das erlaubte uns, uns ein vollständigeres Bild des Rezeptors zu machen und ihn auf mehr Arten zu untersuchen, als wir es alleine könnten.“
Eine Entspannungsmöglichkeit
Der Name des Rezeptors ist ein Leckerbissen: Relaxin/Insulin-ähnlicher Peptidrezeptor 1 oder RXFP1. Es hat diesen Namen, weil es und seine drei Rezeptorgeschwister an Hormone namens Relaxine binden.
Relaxine sind am besten dafür bekannt, während der Schwangerschaft eine Konstellation von Veränderungen im Körper einzuleiten, einschließlich der Entspannung der Bänder im Becken zur Vorbereitung auf die Geburt. Es fördert auch die Spermienbewegung. Aber Wissenschaftler haben auch die vielen nicht reproduktiven Funktionen des Hormons zu schätzen gelernt, darunter die Erweiterung der Blutgefäße zur Erhöhung des Blutflusses, die Stimulierung des Wachstums neuer Blutgefäße, den Abbau von Kollagen und die Verringerung von Entzündungen und Fibrose.
Relaxine tun all dies, wenn sie aus Geweben wie Herz, Prostata und Plazenta freigesetzt werden und an Rezeptoren in den Zellmembranen bestimmter Organe binden. Die Rezeptoren senden dann Signale, die die Zellen zum Handeln anspornen.
Die meisten Relaxine bleiben lokal, aber ein Typ, Relaxin-2, wandert über das Blut durch den Körper. Dies ist das Relaxin, das an RXFP1 bindet.
Die Beteiligung von Relaxin-2 an so vielen körperlichen Prozessen hat die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf die Behandlung von Krankheiten gerichtet, indem höhere oder niedrigere Spiegel des Hormons nachgeahmt werden. Dazu müssen Medikamente entwickelt werden, die an RXFP1 binden – was ohne Kenntnis seiner Struktur schwer zu bewerkstelligen ist.
„Es sind keine Medikamente verfügbar, die auf diesen Rezeptor abzielen“, sagte Erlandson, der jetzt als Forschungswissenschaftler bei Takeda Pharmaceuticals arbeitet. „Die Leute interessieren sich dafür als Option zur Behandlung von kardiovaskulären und fibrotischen Erkrankungen, aber wenn Sie die detaillierte Struktur nicht verstehen, schränkt es Ihre Fähigkeit ein, darauf abzuzielen.“
Also machten sich die Teams an die Arbeit.
Es braucht zwei zum Tango, vier zum Lösen einer Rezeptorstruktur
Das Kruse-Labor unternahm den ersten Schritt, indem es Kryo-Elektronenmikroskopie verwendete, um zu zeigen, wie RXFP1 auf nahezu atomarer Ebene aussieht, wenn es an Relaxin-2 gebunden ist.
Aber ein verschwommener Fleck blieb, wo ein flexibler Teil des Rezeptors ständig seine Position von einem Schnappschuss zum nächsten änderte. Dieser schwer fassbare Teil war der wichtigste – der Teil, der an Relaxin bindet.
Mitglieder des Labors von Steven Gygi, HMS-Professor für Zellbiologie, gingen das Problem mit Massenspektrometrie an, einer anderen Methode zur Bestimmung von Strukturinformationen, die Atomgewichte misst. Durch die Kombination der experimentellen Kryo-EM-Ergebnisse mit den Massenspektrometriedaten konnte Erlandson die fehlenden Strukturdetails ergänzen.
Jetzt konnten die Forscher den Rezeptor in seinem aktiven oder „an“-Zustand sehen, der an Relaxin-2 gebunden ist. Die Struktur legte nahe, dass der Rezeptor sich selbst einschalten könnte. Wenn das stimmte, was hinderte es daran, die ganze Zeit eingeschaltet zu sein und Signale zur Zellaktivierung zu senden, ob Relaxin da war oder nicht?
Einblicke kamen von Debora Marks, außerordentliche Professorin für Systembiologie an der HMS, und Xiaojing Cong vom Institut für funktionelle Genomik (IGF) in Frankreich. Sie verwendeten Computertechniken – einschließlich einer sogenannten evolutionären Kopplungsanalyse, die sich Proteinsequenzen ansieht, die sich im Laufe der Zeit gemeinsam verändern – um vorherzusagen, wie sich verschiedene Teile des Rezeptors zwischen seinem aktiven und inaktiven Zustand verschieben könnten.
Endlich offenbarte sich die Geschichte.
Wenn RXFP1 allein ist und keine Relaxins in Sicht sind, ist es ausgeschaltet. Wenn Relaxin-2 daran bindet, ändern mehrere Teile des Rezeptors ihre Form und kommunizieren miteinander, um den „Ein“-Schalter umzulegen.
Die Zusammenarbeit ermöglichte es dem Team, offene Fragen darüber zu beantworten, wie sich die mehreren Teile von RXFP1 bewegen und zusammenarbeiten, damit der Rezeptor seine Arbeit erledigen kann. Die Art und Weise, wie es an Relaxin-2 bindet, wurde bei vielen seiner Rezeptorverwandten nicht beobachtet.
Mit der aktiven Struktur von RXFP1 haben die Forscher nun ein Schloss, für das sie therapeutische Schlüssel entwerfen können.
„Es war wirklich aufregend, im Projekt an den Punkt zu kommen, an dem wir die Struktur sahen und diese Entdeckungen machten“, sagte Erlandson. „Es gibt noch viel zu tun, aber dies leistet einen großen Beitrag, der den Wissenschaftlern zugute kommt und letztendlich den Patienten helfen könnte.“
Weitere Autoren sind Shaun Rawson, James Osei-Owusu, Kelly P. Brock, Xinyue Liu, Joao A. Paulo und Julian Mintseris von HMS.
Mehr Informationen:
Sarah C. Erlandson et al, Der Relaxinrezeptor RXFP1 signalisiert durch einen Mechanismus der Autoinhibition, Naturchemische Biologie (2023). DOI: 10.1038/s41589-023-01321-6