Ученые из Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ исследовали время нахождения аденозинового рецептора в разных состояниях и частоту перехода между формами белка. Биофизики рассмотрели работу молекулярных переключателей с помощью наблюдения за одиночными молекулами. Разработанный учеными метод применим и к другим рецепторам, нарушение работы которых вызывает множество болезней. Знания о частоте и скорости переключения рецепторов между стабильными состояниями помогут в разработке новых лекарств. Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Biology.
Клетки человека постоянно реагируют на получаемую от соседних клеток и от окружающей среды информацию. За большую часть реакций на окружение отвечают семиспиральные белки, также называемые GPCR (G-protein-coupled receptors, или рецепторы, сопряженные с G-белком). Они состоят из семи пронизывающих клеточную мембрану спиралей, один конец которых обращен внутрь клетки, а другой — наружу. Изменение поведения белковых спиралей и вызывает клеточный ответ. Нарушения работы рецепторов могут приводить ко множеству болезней, в том числе аллергии, астме и некоторым психическим заболеваниям. Поэтому такие белки стали мишенями для более чем трети одобренных к использованию лекарств.
GPCR — это сложные молекулярные «переключатели», которые, как правило, имеют не только состояния «on» и «off». Они крайне подвижны и имеют несколько относительно стабильных состояний — конформаций, приводящих к различным клеточным ответам. Переключение GPCR из одного состояния в другое называют конформационной динамикой. Зная, как часто белок принимает определенную форму и насколько долго в ней находится, ученые могут с большей точностью и скоростью подбирать молекулы, которые вызывают необходимый клеточный ответ. Один из наиболее удобных для исследования GPCR — аденозиновый рецептор, который среди прочего является главной молекулярной мишенью для кофеина. В научной литературе уже собрано много данных о его структуре и функциях, с которыми можно сравнить свои результаты.
Биофизики из Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ изучили конформационную динамику аденозинового рецептора с помощью метода FRET (Förster Resonance Energy Transfer, Фёрстеровский резонансный перенос энергии). При таком исследовании находящиеся рядом части рецептора помечаются двумя флуоресцирующими метками, синей и красной, яркость свечения которых сильно зависит от расстояния между ними. При изменении состояния GPCR расстояние между метками изменяется, а вместе с ним и цвет, который создают метки: в более «синих» молекулах метки дальше друг от друга, а в более «красных» — ближе между собой. Наблюдая за изменениями цвета одиночных молекул с помощью сверхчувствительного оптического микроскопа, биофизики проследили переключение белка между несколькими состояниями и измерили времена нахождения белка в них. Данный подход позволил определить, как на конформационную динамику GPCR влияет взаимодействие с активирующими химическими соединениями.
Валентин Борщевский, заместитель директора Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ, в лаборатории. Фото пресс-службы МФТИ
Ученые максимально приблизили экспериментальные условия к естественным. Аденозиновый рецептор — человеческий, поэтому его не получить в функциональном виде в бактериях. Для получения белка исследователи использовали лейшманий — паразитов ящериц (Leishmania tarentolae), простейших, у который аппарат синтеза белка более схож с человеческим, чем у бактерий. Для флуоресцентной покраски GPCR в подвижные части белка с помощью генной инженерии обычно вводят цистеины, к которым потом прикрепляются метки. Покраске аденозинового рецептора мешали природные цистеины в составе белка: нужно было либо убрать их с помощью мутаций, либо «спрятать» от красителей. Чтобы не нарушить мутациями поведение белка, ученые проводили покраску, пока рецептор находился в клеточных мембранах, которые скрывают природные цистеины от красителей. После покраски белок выделили из клеточной мембраны и очистили, а чтобы он остался в естественном для себя окружении, встроили его в уникальную «мембрано-модулирующую систему» — липидные нанодиски. Именно в таких условиях уже и проводились измерения.
«В этой работе мы не только исследовали динамику аденозинового рецептора, но и продемонстрировали, что метод ее изучения можно применять к GPCR. Ранее не удавалось исследовать семиспиральные белки методом FRET на уровне одиночных молекул. Данный подход позволяет исследовать белок в условиях, максимально близких к природным, и получать крайне важные данные для понимания взаимодействия белка с активными веществами. Благодаря знаниям о состояниях GPCR можно быстро разрабатывать и тестировать новые лекарства от болезней, вызываемых нарушением работы белков. В частности, рецептор, который мы исследовали в работе, является многообещающей мишенью для лекарств от бессонницы, депрессии и болезни Паркинсона», — рассказывает Валентин Борщевский, заместитель директора Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
Авторы построили полную биофизическую модель активации белка, отражающую его функциональную конформационную динамику. Это никогда раньше не делалось на уровне одной молекулы для данного рецептора или другого GPCR.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и Российского научного фонда (проект № 22-74-10036).
