Forscher klären Mechanismen hinter der Proteinselektivität im Adenosinrezeptor auf

In einer neuen Studie hat ein multinationales Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Adnan Sljoka (RIKEN) und Prof. Akio Kitao (Tokyo Tech) in Zusammenarbeit mit Prof. Scott Prosser (University of Toronto) experimentelle und rechnergestützte Studien durchgeführt, um die Mechanismen hinter der G-Protein-Selektivität und -Wirksamkeit im menschlichen Adenosin-A2A-Rezeptor (A2AR) aufzuklären.

A2AR ist ein Mitglied der Superfamilie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR), die wichtige Arzneimitteltargets darstellen. Es bindet das G-Protein und initiiert Zellsignale, die sich auf die Herzgesundheit, Entzündungen, Krebs und Gehirnerkrankungen auswirken.

Wissenschaftler haben einen Durchbruch im Verständnis der Art und Weise erzielt, wie A2AR mehrere bindende G-Proteine ​​binden und aktivieren kann, sowie der Mechanismen dieser selektiven Kopplung. Die Arbeit ist veröffentlicht In Natur Chemische Biologie.

Das Forschungsteam entdeckte, dass die typische Kopplungspromiskuität in A2AR eine direkte Folge von Änderungen in Aktivierungskonformationen ist. Darüber hinaus steuern die weitreichenden (allosterischen) Kommunikationsmechanismen auf elegante Weise die Auswahl spezifischer Konformere innerhalb eines dynamischen Konformationsensembles.

Diese Studie bietet tiefgreifende Einblicke in die Selektivität und die voreingenommene Signalgebung von GPCRs. Diese Erkenntnisse werden voraussichtlich große Auswirkungen auf die Arzneimittelforschung haben und den Weg für neuartige, auf GPCRs ausgerichtete therapeutische Strategien zur Behandlung verschiedener menschlicher Erkrankungen, darunter Krebs und neurodegenerative Erkrankungen, ebnen.

Diese Forschung wird zudem die Gestaltung allgemeinerer computergestützter und KI-gestützter Studien ermöglichen und so die Grenzen der GPCR-Aktivierungsmechanismen und der Pharmakologie der nächsten Generation erweitern.

Hintergrund

GPCRs sind die größte Rezeptorklasse und beeinflussen nahezu jeden Aspekt der menschlichen Physiologie. 35 % aller zugelassenen Medikamente wirken auf GPCRs. Sie regulieren sensorische und neuronale Signale sowie eine Vielzahl von Prozessen, die mit Zellhomöostase, Wachstum und Immunreaktion verbunden sind.

GPCRs befinden sich hauptsächlich in der Plasmamembran, die die Zelle umgibt, während das Medikament oder der Ligand (wie Hormone und Neurotransmitter), der auf den GPCR einwirkt, an eine extrazelluläre Tasche bindet. Die Aktivierung wird dann über den Rezeptor übermittelt, was zur Komplexierung mit Proteinen im Zellinneren führt.

Da das Signal an der Zellaußenseite ankommt und Signalwege innerhalb der Zelle initiiert, sind GPCRs bei der Arzneimittelforschung besonders nützlich, da das Arzneimittel in vielen Fällen nicht in die Zelle gelangen muss.

Die Aktivierung von GPCRs ist jedoch mit dynamischen Ereignissen, wichtigen Zwischenzuständen und Aktivierungszuständen verbunden, die zwischen der Bindung eines Liganden und der Aktivierung des G-Proteins auftreten. Darüber hinaus sind viele GPCRs promiskuitiv, da sie selektiv mit verschiedenen G-Proteinen interagieren, von denen jedes eine einzigartige zelluläre Reaktion beeinflusst. Tatsächlich ist die G-Protein-Selektivität einer der am wenigsten verstandenen Aspekte der GPCR-Biologie.

Das Erfassen der Konformationsdynamik von GPCRs, das Beschreiben verschiedener Funktionszustände und das Verständnis allosterischer Mechanismen und ihrer Rolle bei der G-Protein-Selektivität, der Kopplungspromiskuität sowie bei Aktivierungs- und Signalmechanismen stellt eine enorme Herausforderung dar und erschwert die Vorhersage oder Kontrolle des GPCR-Verhaltens bei der Arzneimittelentwicklung.

Überblick über die Forschung

Mithilfe experimenteller und rechnergestützter Techniken, darunter Funktionstests, Fluor-Kernspinresonanz (19F-NMR), mathematische Rigiditätstheorie, Molekulardynamiksimulationen sowie Rigiditäts- und Geometrie-Monte-Carlo-Simulationen, entdeckte das internationale Forschungsteam den Mechanismus hinter der GPCR-G-Proteinselektivität.

Das Team konzentrierte seine Studie auf den menschlichen Adenosin-A2A-Rezeptor (A2AR). A2AR ist ein prototypischer GPCR, der im Nervensystem, in Blutplättchen, Immunzellen, Lungen, Herz und Gefäßen vorkommt und neben seinem verwandten Gs-Protein auch mehrere G-Proteine ​​(insbesondere Go) aktiviert.

A2AR-Medikamente wurden zur Behandlung von Wundheilung, Gefäßerkrankungen, einschließlich Arteriosklerose, Restenose und Thrombozytenaktivierung, sowie Entzündungen und Krebs entwickelt. Es wird jedoch angenommen, dass pharmakologische Therapien ausschließlich als Antagonisten oder Agonisten des A2AR-Gs-Komplexes wirken.

Daher können durch das Verständnis des Mechanismus der G-Protein-Selektivität und -Wirksamkeit in A2AR sowie der allgemeinen Verzerrungs- und Aktivierungsmechanismen in GPCRs neue Möglichkeiten in der Pharmakologie entstehen.

Die Forscher konzentrierten sich auf die Untersuchung wichtiger Konformationszustände und Dynamiken von A2AR, indem sie es mit sowohl verwandten Gs- als auch nicht verwandten Go-G-Proteinen mit demselben Agonistenliganden komplexierten. 19F-NMR enthüllte mehrere funktionelle Aktivierungszustände von A2AR, wenn es an Gs- und Go-G-Proteine ​​gekoppelt ist.

Wenn A2AR mit seinem bevorzugten Gs-Partner interagiert, nimmt der Rezeptor langlebige und stark besetzte Aktivierungszustände an. Bei Kopplung mit Go sind diese Aktivierungskonformationszustände jedoch deutlich weniger besetzt und besetzt. Tatsächlich wurde einer der Aktivierungszustände hauptsächlich dann beobachtet, wenn der Rezeptor mit Gs, aber nicht mit Go interagierte.

Molekulardynamik-Simulationen und dPaCS-MD/MSM-Berechnungen, die im Labor von Dr. Kitao durchgeführt wurden, zeigen, dass Gs mehr Interaktionen mit A2AR bildet und eine stärkere Bindungsaffinität als Go aufweist. Zusätzliche Monte-Carlo-Simulationen, die von Dr. Tucs durchgeführt wurden, bestätigten, dass es, wenn A2AR Gs- oder Go-G-Proteine ​​aktiviert, zu großen Veränderungen in der Dynamik des Rezeptors kommt, die die Populationen und Umwandlungen zwischen den durch NMR identifizierten Aktivierungszuständen bestimmen. Dies führte zu der Hypothese, dass Allosterie (Fernkommunikation) eine Rolle spielen könnte.

Um die Allosterie im Rezeptor zu untersuchen, nutzten die Forscher Techniken der Rigiditätstheorie, die von Dr. Sljoka entwickelt wurden. Die Rigiditätstheorieanalyse bestätigte das Vorhandensein mehrerer adaptiver allosterischer Netzwerke, die sich unterschieden, wenn der Rezeptor mit Gs und Go interagiert. Die allosterischen Mechanismen steuern direkt die dynamischen Unterschiede und Übergänge zwischen unterschiedlichen Funktionszuständen und spielen eine wichtige Rolle bei der G-Protein-Selektivität und der G-Protein-Rezeptor-Kopplung.

Die Fähigkeit von GPCRs, sich über verschiedene Aktivierungszustände mit mehreren Proteinen zu verbinden, könnte zu besseren Behandlungen führen und die komplexen, aber faszinierenden Wege hervorheben, auf denen unsere Körperzellen kommunizieren und auf Signale reagieren. Die Ergebnisse dieser Studie bieten wichtige Einblicke in die Selektivität, Allosterie, partielle Agonismus und voreingenommene Signalgebung von GPCRs und haben große Auswirkungen auf die Arzneimittelforschung.

Zukünftige Entwicklungen

Während die aktuelle Studie ein beispielloses mechanistisches Verständnis der Kopplung und Promiskuität in A2AR liefert, werden sich künftige Studien zweifellos auf den Versuch konzentrieren, die Ergebnisse auf andere GPCRs zu verallgemeinern und fortgeschrittene KI-Modelle einzubinden.

Diese Bemühungen haben erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung sichererer und selektiverer Therapeutika für die Bekämpfung von GPCRs und werden unser allgemeines Verständnis der zellulären Signalmechanismen vertiefen.