Биофизики из Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ в сотрудничестве с зарубежными коллегами изучили структуру и особенности работы рецептора, играющего важную роль в иммунных и нейродегенеративных нарушениях, а также в канцерогенезе (процессе зарождения и развития опухолей). Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Работа рецепторов S1P (семейство сфингозин-1-фосфатных рецепторов из пяти представителей) влияет на множество клеточных процессов, таких как деление, миграция и выживание. На сегодня уже разработано несколько терапевтических препаратов для лечения рассеянного склероза, болезни Крона и других аутоиммунных заболеваний, нацеленных на рецепторы S1P, однако им не хватает избирательности по подтипам рецепторов и механизмам действия, что приводит к побочным эффектам. Для разработки лекарств прицельного действия необходимо изучить их взаимодействие с рецепторами на молекулярном уровне, а для этого нужно более глубоко понять строение и механизмы работы самих рецепторов. Биофизики из МФТИ изучили кристаллическую структуру рецептора S1P5 с помощью серийной фемтосекундной кристаллографии (SFX) на рентгеновском лазере на свободных электронах (XFEL).
«SFX — это один из самых перспективных методов анализа третичных структур белков, позволяющий исследователям взглянуть на ранее не поддававшиеся анализу белки. Однако этот подход потребовал разработки множества дополнительных технических и математических решений. Классическая рентгеновская кристаллография подразумевает облучение одного кристалла с разных сторон и совместный анализ картин рассеяния. При SFX кристалл разрушается сразу, при первом взаимодействии с мощным рентгеновским импульсом, однако, к счастью для исследователей, дифракционная картина еще целого кристалла появляется на детекторе раньше. В результате необходимо последовательно облучать множество мелких кристаллов и анализировать большую серию картин дифракции», — рассказывает Алексей Мишин, заместитель заведующего лабораторией структурной биологии рецепторов, сопряженных с G-белком, МФТИ.
«В результате нашего исследования впервые получена структура важного рецептора, относящегося к классу сопряженных с G-белком. Это интересно как с фундаментальной точки зрения: определен молекулярный механизм работы, так и с прикладной: структура S1P5 с высоким разрешением позволяет создать шаблоны для поиска селективных терапевтических препаратов с целенаправленной функцией и минимальным количеством побочных эффектов», — добавляет Елизавета Ляпина, научный сотрудник лаборатории структурной биологии рецепторов, сопряженных с G-белком, МФТИ, первый автор статьи.
Существующие лекарства, «включающие» S1P5, имеют нейропротекторные свойства при болезнях Альцгеймера и Хантингтона, в то время как подавление активности этого рецептора приводит к гибели раковых NK-клеток при NK-клеточном лейкозе. Вещества, воздействующие на данный рецептор, его лиганды, были одобрены для лечения рассеянного склероза, болезни Крона и других аутоиммунных заболеваний. Однако фармакологическая роль S1P5 остается до сих пор не до конца ясной, в основном из-за отсутствия хорошо охарактеризованных высокоточных веществ (лигандов), действующих на рецептор с подтвержденной активностью на живых организмах.
«Структурная информация, подобная той, что мы получили в работе, является основой для компьютерной разработки лекарственных препаратов (structure-based drug design), которая радикальным образом ускоряет весь процесс создания лекарств. В нашей работе мы провели сравнение: насколько экспериментальные результаты позволяют лучше предсказывать белковые лиганды по сравнению с предсказаниями, полученными при помощи AlphaFold2 — программы на базе искусственного интеллекта. Оказалось, что AlphaFold2 успешно предсказывает уникальные особенности строения белка. Однако, используя экспериментальные структуры, все же удается намного лучше находить потенциальные лиганды для рецептора, чем с использованием предсказанных структур. Это означает, что экспериментальная структурная биология по-прежнему остается важнейшим направлением в области разработки лекарств», — прокомментировал Валентин Борщевский, заместитель директора Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
Проект состоял из большого числа экспериментальных этапов: ученые создавали и тестировали генно-инженерные конструкции, экспрессировали и выделяли рецептор, кристаллизировали и определяли его структуру методом рентгено-структурного анализа при помощи рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) в лаборатории ускорителей г. Пхохана (PAL-XFEL) в Южной Корее, именно здесь находится одна из самых серьезных установок в мире, относящихся к объектам класса «мегасайенс», обладающая мощнейшим источником рентгеновского излучения. С полученной структурой проводили компьютерное моделирование и молекулярный докинг.
Структура S1P5 и ее сравнение с известными структурами других рецепторов семейства S1P. Источник: Nature Communications
«Важность нашего исследования подтверждает тот факт, что мы были одной из немногих иностранных групп, которые получили экспериментальное время на конкурсной основе в лаборатории ускорителей Пхохана (PAL-XFEL) в Южной Корее», — подытожил Алексей Мишин.
Сфингозин-1-фосфатные рецепторы входят в перечень биомишеней для разработки схожих по фармакотерапевтическому действию и улучшенных аналогов инновационных лекарственных препаратов, утвержденный приказами Министерства промышленности и торговли РФ и Министерства здравоохранения РФ.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, Российского фонда фундаментальных исследований и Российского научного фонда.
1
