אחת מכל שלוש תרופות שאושרו על ידי ה-FDA מכוונת למשפחת-על אחת של קולטנים המנקדים את פני השטח של תאים אנושיים. מחוסמי בטא ועד לאנטי-היסטמינים, התרופות החיוניות ומצילות החיים הללו מפעילות מסלולים ביוכימיים מתפתלים, דרך הקולטנים הללו, כדי למנוע בסופו של דבר התקף לב, או לעצור תגובה אלרגית במסלוליה.
אבל מדענים למדו שהסיפור שלהם הרבה יותר מסובך ממה שחשבו בתחילה – מספר תרופות אלו מכוונות למעשה לקומפלקס המורכב מקולטן אחד וחלבון אחד קשור. עכשיו, מחקר חדש ב התקדמות המדע מציגה גישה חדשה למיפוי האינטראקציות בין 215 קולטנים כאלה לשלושת החלבונים שאיתם הם יוצרים קומפלקסים. הממצאים מרחיבים באופן דרמטי את ההבנה של אינטראקציות אלו והפוטנציאל הטיפולי שלהן.
"בצד הטכני, אנו יכולים כעת לחקור את הקולטנים הללו בקנה מידה חסר תקדים", אומרת הסופרת הראשונה אילנה קוטליאר, סטודנטית לתואר שני לשעבר במעבדה לביולוגיה כימית והעברת אותות של רוקפלר, בראשות תומס פ. סאקמר. "ובצד הביולוגי, אנו יודעים כעת שתופעת האינטראקציות הללו עם קולטני חלבון נפוצה הרבה יותר ממה שחשבו במקור, ופותחת את הדלת לחקירות עתידיות".
טריטוריה לא ידועה
משפחה זו של קולטנים ידועה כ-GPCRs, או קולטנים מצמידים לחלבון G. חלבוני העזר שלהם ידועים בשם RAMPs, קיצור של חלבונים שמשנים פעילות קולטן. RAMPs עוזרים להעביר GPCRs אל פני התא ויכולים לשנות באופן ניכר את האופן שבו קולטנים אלה משדרים אותות על ידי שינוי צורת הקולטן או השפעה על מיקומו. מכיוון ש-GPCR קיימים רק לעתים רחוקות בחלל ריק, זיהוי GPCR מבלי לתת דין וחשבון כיצד RAMPs עלולים להשפיע עליו הוא קצת כמו לדעת את התפריט של מסעדה מבלי לבדוק את השעות, הכתובת או אפשרויות המשלוח שלה.
יכולים להיות שני תאים בגוף שבהם אותה תרופה מכוונת לאותו קולטן – אבל התרופה פועלת רק בתא אחד. ההבדל הוא שלאחד התאים יש RAMP שמביא את ה-GPCR שלו אל פני השטח, שם התרופה יכולה לתקשר איתו. לכן RAMPs הם כל כך חשובים."
תומס פ. סאקמר, הפרופסור של ריצ'רד מ. ואיזבל פ. פורלוד
ביודעו זאת, Sakmar ועמיתיו היו נחושים לפתח טכניקה שתאפשר לחוקרים לנתח את ההשפעה של כל RAMP על כל GPCR. מפה כה מקיפה של אינטראקציות GPCR-RAMP תגביר את פיתוח התרופות, עם היתרון הנוסף של הסבר אולי מדוע כמה תרופות GPCR מבטיחות, באופן מסתורי, לא יצאו לפועל.
הם קיוו שמפה כזו תתרום גם לביולוגיה בסיסית בכך שתגלה עם אילו ליגנדים טבעיים מקיימים אינטראקציה עם כמה מה שנקרא "יתומים" GPCRs. "אנחנו עדיין לא יודעים מה מפעיל GPCRs רבים בגוף האדם", אומר קוטליאר. "ייתכן שההקרנות החמיצו את ההתאמות האלה בעבר כי הן לא חיפשו מתחם GPCR-RAMP."
אבל לשכשך בכל אינטראקציה GPCR-RAMP הייתה משימה מרתיעה. עם שלושה RAMPs ידועים וכמעט 800 GPCRs, חיפוש בכל שילוב אפשרי היה לא מעשי, אם לא בלתי אפשרי. בשנת 2017 החלה אמילי לורנזן, אז סטודנטית לתואר שני במעבדה של סאקמאר, בשיתוף פעולה עם מדענים במעבדת Science for Life בשבדיה ובפרויקט אטלס חלבון אנושי של שבדיה כדי ליצור בדיקה המסוגלת לסנן אינטראקציות GPCR-RAMP.
מאות ניסויים בבת אחת
הצוות התחיל בצימוד נוגדנים מאטלס החלבון האנושי לחרוזים מגנטיים, שכל אחד מהם נצבע מראש באחד מ-500 צבעים שונים. החרוזים הללו הודגרו עם תערובת נוזלית של תאים מהונדסים המבטאים שילובים שונים של RAMPs ו-GPCRs. הגדרה זו אפשרה לחוקרים לסנן בו-זמנית מאות אינטראקציות GPCR-RAMP פוטנציאליות בניסוי יחיד. כאשר כל חרוז עבר דרך מכשיר זיהוי, נעשה שימוש בקידוד צבע כדי לזהות אילו GPCRs היו קשורים לאילו RAMPs, מה שמאפשר מעקב תפוקה גבוהה של 215 GPCRs והאינטראקציות שלהם עם שלושת ה- RAMPs הידועים.
"הרבה מהטכנולוגיה הזו כבר הייתה קיימת. התרומה שלנו הייתה טכנולוגיה מאפשרת שנבנתה עליה", אומר סאקמר. "פיתחנו טכניקה לבדיקת מאות מתחמים שונים בבת אחת, אשר מייצרת כמות עצומה של נתונים, ועונה על שאלות רבות בו זמנית".
"רוב האנשים לא חושבים במונחים מרובים. אבל זה מה שעשינו – 500 ניסויים בבת אחת."
למרות שעבודה זו היא שיאו של מאמץ צוות לאורך תקופה ארוכה, קוטליאר עשתה מאמצים אדירים כדי לגרור אותה על פני קו הסיום – העברת דגימות וריאגנטים נדירים הלוך ושוב משוודיה בחלונות נסיעות נדירים במהלך הקורונה.
זה השתלם. התוצאות מספקות קומץ משאבים המיוחסים לחוקרי GPCR ומפתחי תרופות: ספריות מקוונות זמינות לציבור של נוגדנים נגד GPCR, גנים מהונדסים של GPCR וכמובן, האינטראקציות הממופות. "עכשיו אתה יכול להקליד את הקולטן האהוב עליך, לגלות אילו נוגדנים נקשרים אליו, האם הנוגדנים האלה זמינים מסחרית, והאם הקולטן הזה נקשר ל-RAMP", אומר סקמר.
הממצאים מגדילים את מספר אינטראקציות GPCR-RAMP שזוהו בניסוי בסדר גודל ומניחים את הבסיס לטכניקות שיכולות לסייע באיתור שילובים של GPCRs וזיהוי נוגדנים עצמיים מזיקים. "בסופו של דבר, זה פרויקט מכוון טכנולוגיה", אומר סאקמר. "זה מה שהמעבדה שלנו עושה. אנחנו עובדים על טכנולוגיות לקידום גילוי תרופות".
