Человеческое тело похоже на огромный командный проект. Миллионы клеток, структурированных в ткани и органы, берут на себя различные задачи и поддерживают, координируют и регулируют друг друга. Чтобы это сотрудничество функционировало, клетки должны легко обмениваться информацией. Специфические белки регулируют эту связь.
Как «посланники» они передают сигналы, которые они получают из внешнего мира, во внутреннюю работу клеток.
Посланник и его рецептор в прицеле фармацевтической промышленности
Так называемые G-белки составляют важный класс этих белков-мессенджеров.
Они функционируют как крошечные молекулярные переключатели: когда сигнальное вещество присоединяется к рецептору, связанному с G-белком, так называемая альфа-субъединица G-белка "включается". Он отделяется от рецептора и других субъединиц и активирует другие белки.
Это первый этап сигнального каскада, который завершается желаемой реакцией. При целом ряде заболеваний регулирование этого сигнального каскада является неправильным, что объясняет, почему более 30 процентов всех производимых лекарств действуют на рецепторы, связанные с G-белком.
К ним относятся бета-блокаторы, лекарства от высокого кровяного давления и психотропные препараты. Возможны также агенты, которые действуют непосредственно на G-белки.
Больше, чем просто снимок – как именно срабатывают переключатели?
Теперь группа ученых под руководством Франца Хагна, профессора структурной биохимии мембран на химическом факультете Мюнхенского технического университета, определила, что именно происходит, когда в альфа-субъединице включается «переключатель».
Используя спектроскопию ядерного магнитного резонанса, они шаг за шагом решили, как отдельные аминокислоты перемещаются в альфа-субъединице при активации. «Это понимание может помочь производителям лекарств создавать активные агенты, точно адаптированные к отдельным этапам, что до сих пор было трудным», – говорит Франц Хагн.
G-белки впервые исследованы в естественном состоянии
В своей работе исследователи Hagn впервые смогли наблюдать движения альфа-субъединиц G-белка в их естественной среде, т.е.е. связаны с клеточной мембраной. Это очень сложно, так как мембранные белки не растворяются. Но это необходимое условие для спектроскопических исследований ЯМР в растворе.
Ученые преодолели это препятствие на пути исследования белков G, разработав небольшие участки мембраны, в которых липидсвязывающие белки закрывали водоотталкивающие края. Затем они поместили рецепторы, связанные с G-белком, на эти фосфолипидные нанодиски и исследовали взаимодействия с растворимым G-белком.
Исследователи определили, что форма альфа-субъединицы, связанная с рецептором, очень открыта, когда находится в "выключенном" положении. Когда активирующий гуанозинтрифосфат (GTP) связывается с белком, он закрывается, и включается переключатель. Теперь отдельные части субъединицы плотно прилегают друг к другу. Комплекс жесткий и практически неизменный, что необходимо для активации дальнейших сигнальных белков.
Предпосылки для будущей разработки активного агента
До разработки лекарства, действующего непосредственно на G-белок, еще далеко. Тем не менее, новое понимание показывает, что открытая форма белка более доступна для активных агентов, чем жесткая закрытая форма.
В ходе последующих исследований ученые во главе с Хэном надеются также изучить влияние рецепторов, связанных с G-белком, на структуру G-белка, а также роль других субъединиц G-белка в процессе переключения.
Важное значение для этой работы будет иметь современное техническое оснащение Баварского центра ЯМР, которое в ближайшие два года будет расширено еще одним высокопольным спектрометром в кампусе Гархинг Мюнхенского технического университета.