Forschung enthüllt molekulare Ursprünge der Funktion eines wichtigen Wirkstoffziels

Im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit haben Wissenschaftler des St. Jude Children’s Research Hospital Datenwissenschaft, Pharmakologie und Strukturinformationen genutzt, um auf atomarer Ebene zu untersuchen, wie jede Aminosäure im Rezeptor, der Adrenalin bindet, in Gegenwart dieses natürlichen Wirkstoffs zur Rezeptoraktivität beiträgt Ligand.

Sie hatten genau herausgefunden, welche Aminosäuren die wichtigsten pharmakologischen Eigenschaften des Liganden steuern. Der untersuchte Adrenalinrezeptor gehört zur Familie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR), und diese Familie ist das Ziel eines Drittels aller von der Food and Drug Administration (FDA) zugelassenen Medikamente. Daher ist es für die Entwicklung neuer Therapien mit präzisen Auswirkungen auf die Rezeptoraktivität von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie GPCRs auf natürliche oder therapeutische Liganden reagieren.

Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaft.

Um zu verstehen, wie eine Uhr funktioniert, könnte man sie Stück für Stück auseinandernehmen und die Rolle jeder Komponente bei ihrer Zeitmessfunktion untersuchen. Ebenso könnte in einem Protein wie einem GPCR jede Aminosäure eine andere Rolle dabei spielen, wie das Protein auf ein externes Signal reagiert.

Forscher von St. Jude untersuchten in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Stanford University, der University of Montreal, dem MRC Laboratory of Molecular Biology und der Cambridge University den β2-adrenergen Rezeptor (β2AR), indem sie jeweils eine Aminosäure ersetzten, um den Beitrag zu verstehen jeder Aminosäure in diesem Rezeptor, um eine Signalantwort zu vermitteln.

„Wissenschaftler lernen, wie Gene zur Zellfunktion beitragen, indem sie sie einzeln stören. Wir fragten: ‚Warum gehen wir nicht eine Ebene tiefer? Lassen Sie uns verstehen, wie jede Aminosäure zur Funktion eines Rezeptors beiträgt, indem sie sie mutiert Aminosäure nach der anderen“, sagte der Mitautor M. Madan Babu, Ph.D., vom St. Jude’s Department of Structural Biology, Direktor des Centre of Excellence for Data-Driven Discovery und dem George J. Pedersen Endowed Chair in Biologische Datenwissenschaft.

„Durch die Evolution wurde jede Aminosäure im Rezeptor auf die eine oder andere Weise geformt, um sicherzustellen, dass sie den natürlichen Liganden, in diesem Fall Adrenalin, bindet und die entsprechende physiologische Reaktion hervorruft.“

Funktion im Formular finden

GPCRs sind Proteine, die die Zellmembran durchspannen und die Außenseite der Zelle mit ihrer inneren Umgebung verbinden, indem sie externe Signale an das Zellinnere übertragen. Im Fall von β2AR bindet Adrenalin an den GPCR außerhalb der Zelle und löst so eine Reaktion innerhalb der Zelle aus.

Wenn ein Ligand bindet, verursacht er Veränderungen in der Form des Rezeptors, insbesondere im intrazellulären Bereich des Rezeptors, wo ein G-Protein bindet. Die Bindungsstellen für den Liganden und das G-Protein befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten des Proteins, sind jedoch über ein komplexes Netzwerk von Aminosäurekontakten verbunden, die sich über das gesamte Protein erstrecken. Konformationsänderungen (Formänderungen) innerhalb des GPCR aktivieren das G-Protein, um eine nachgeschaltete Signalreaktion innerhalb der Zelle auszulösen. Durch Auswirkungen auf mehrere Gewebe und GPCRs, einschließlich des β2AR, kann Adrenalin die Kampf-oder-Flucht-Reaktion auslösen, beispielsweise während eines Adrenalinstoßes.

Um die Rolle jeder Aminosäure in einem GPCR zu verstehen, mutierte Franziska Heydenreich, Ph.D., von der Philipps-Universität Marburg, die Haupt- und Mitautorin dieses Projekts, jede der 412 Aminosäuren im β2AR. Anschließend bewertete sie die Reaktion jedes Mutanten auf den Liganden Adrenalin und bestimmte die klassischen pharmakologischen Eigenschaften Wirksamkeit und Potenz. Die Wirksamkeit misst die maximale Reaktion, die ein Ligand hervorrufen kann, und die Wirksamkeit misst die Menge an Ligand, die erforderlich ist, um die Hälfte der maximalen Reaktion hervorzurufen. Ziel war es, auf atomarer Ebene aufzudecken, wie jede Aminosäure zu diesen pharmakologischen Eigenschaften beiträgt.

„Überraschenderweise trugen nur etwa 80 der mehr als 400 Aminosäuren zu diesen pharmakologischen Eigenschaften bei. Von diesen pharmakologisch relevanten Aminosäuren befanden sich nur ein Drittel in Regionen, in denen der Ligand oder das G-Protein an den Rezeptor band“, sagte Heydenreich.

„Es war faszinierend zu beobachten, dass es einige Aminosäuren gibt, die die Wirksamkeit steuern, andere die Wirksamkeit und wieder andere, die beide beeinflussen“, sagte Babu. „Wenn Sie ein wirksameres oder wirksameres Medikament herstellen möchten, wissen Sie jetzt, dass es bestimmte Reste gibt, die der neue Ligand beeinflussen muss.“ Die Forscher stellten außerdem fest, dass der individuelle Beitrag jedes Rests zur Wirksamkeit und Wirksamkeit nicht gleich war, was noch mehr Möglichkeiten zur Feinabstimmung der Arzneimittelreaktionen bei der Entwicklung neuer therapeutischer Liganden impliziert.

„Wirksamkeit und Potenz werden seit mehreren Jahrzehnten für zahlreiche Ligand-Rezeptor-Signalsysteme gemessen. Jetzt können wir verstehen, wie bestimmte Aminosäuren in der Sequenz eines Proteins diese pharmakologischen Eigenschaften beeinflussen können“, erklärte Babu.

„Ein faszinierender Aspekt der Ergebnisse ist, dass Wirksamkeit und Wirksamkeit durch unterschiedliche Mechanismen unabhängig voneinander reguliert werden können. Dies bietet eine Grundlage für das Verständnis, wie genetische Variation die Arzneimittelreaktionen bei Individuen beeinflusst“, korrespondiert Michel Bouvier, Ph.D., mit Autor aus der Abteilung für Biochemie und Molekulare Medizin und Generaldirektor des Instituts für Immunologie- und Krebsforschung der Universität Montreal hinzugefügt.

Ein wunderschönes Netzwerk

Frühere Untersuchungen veranschaulichten die Struktur sowohl des aktiven als auch des inaktiven Zustands des β2AR. Aufbauend auf diesem Wissen begannen die Forscher mit einer neuen Untersuchung. Sie untersuchten, ob die zwei Drittel der pharmakologisch relevanten Aminosäuren, von denen zuvor gezeigt wurde, dass sie nicht an der Liganden- oder G-Protein-Bindung beteiligt sind, eine Rolle beim Übergang zwischen dem aktiven und inaktiven Zustand des Rezeptors spielen könnten.

„Wir haben systematisch begonnen, jeden einzelnen Restkontakt im aktiven Zustand zu untersuchen“, sagte Heydenreich, „um zu verstehen, ob alle Aminosäuren, die einen Kontakt im aktiven Zustand herstellen, wichtig sind.“

Die Forscher entwickelten ein datenwissenschaftliches Framework zur systematischen Integration pharmakologischer und struktureller Daten und lieferten das erste umfassende Bild der GPCR-Signalisierung. „Als wir die pharmakologischen Daten auf die Struktur abbildeten, bildeten sie ein wunderschönes Netzwerk“, sagte Babu.

„Es lieferte neue Einblicke in das allosterische Netzwerk, das die Ligandenbindungstasche mit der G-Protein-Bindungsstelle verbindet, die Wirksamkeit und Wirksamkeit bestimmt“, fügte Brian Kobilka, Mitautor und Nobelpreisträger für Chemie 2012 von der Stanford University School of Medicine, hinzu.

Durch das Verständnis der GPCR-Signalübertragung auf atomarer Ebene sind die Forscher optimistisch, dass sie noch tiefer gehen können – um die vorübergehenden Unterzustände zwischen der aktiven und inaktiven Konformation zu erkennen und die Konformationslandschaft von Proteinen zu erkunden.

„Wir wissen jetzt, welche Mutanten wir angreifen müssen, diejenigen, die nur die Wirksamkeit, die Wirksamkeit oder beides beeinflussen“, sagte Heydenreich.

„Jetzt können wir molekulardynamische Berechnungen und Einzelmolekülexperimente an diesen Mutanten durchführen, um die genauen Mechanismen aufzudecken, durch die das allosterische Netzwerk die Wirksamkeit und Wirksamkeit zur Vermittlung einer Signalreaktion beeinflusst. Dies ist eine Richtung, die wir mit einer St. Jude-Forschung verfolgen.“ Zusammenarbeit bei GPCRs, an der PIs mehrerer Institutionen beteiligt sind.“ Babu erklärte.

Abgesehen von diesen „Treiber“-Resten, die an der Vermittlung aktiver zustandsspezifischer Kontakte beteiligt sind und sich bei Mutation auf die Pharmakologie auswirken, wollen Babu und seine Kollegen weitere wichtige Erkenntnisse dieser Arbeit untersuchen. Ihr Ziel ist es, „Passagier“-Aminosäuren zu untersuchen, die – obwohl sie im aktiven Zustand Kontakte knüpfen – bei Mutation keinen Einfluss auf die Wirksamkeit oder Wirksamkeit haben.

Sie sind auch an „Modulator“-Resten interessiert, die keine aktiven zustandsspezifischen Kontakte vermitteln, sondern bei Mutation die Pharmakologie verändern. Ihr datenwissenschaftlicher Ansatz, der Strukturinformationen und pharmakologische Messungen integriert, ist nicht auf den β2AR beschränkt. Es kann auf jeden GPCR ausgeweitet werden, um unser Verständnis der Mechanismen zu verbessern, die diese entscheidende Klasse von Arzneimittelzielen steuern.