כמעט 35% מהתרופות שאושרו על ידי מינהל המזון והתרופות פועלות על ידי מיקוד לקולטנים מצמידים לחלבון G (GPCRs), חלבונים המוטבעים בממברנות התא המאפשרות לתאים לתקשר זה עם זה. קולטנים מצמדים לחלבון G (aGPCR) הם המשפחה השנייה בגודלה של קולטנים אלה בבני אדם. כפי שמרמז שמם, הם עוזרים לתאים להיצמד, או להיצמד זה לזה, ולשלוח אותות בתוך הגוף.
קולטנים אלה מעורבים בתהליכים רבים, כגון איך רקמות גדלות, איך פועלת מערכת החיסון ואיך נוצרים איברים. בעיות עם aGPCRs יכולות גם להוביל למחלות כמו סרטן, הפרעות מוח ובעיות גדילה. למרות התפקיד החשוב בעליל שהם ממלאים בגוף, עם זאת, אין תרופות המאושרות למטרות AGPCR מכיוון שהן גדולות, מורכבות וקשות למחקר.
מחקר חדש מאוניברסיטת שיקגו משלב שתי טכניקות הדמיה חזקות כדי לחקור את המבנה המלא של aGPCR נפוץ, כולל האופן שבו האזור החוץ-תאי הארוך והמורכב שלו מקיים אינטראקציה עם האזור הטרנסממברני המוטבע על פני התא. נראה כי התנוחות והתנועות השונות של האזור החוץ תאי מהוות דרך חשובה להפעלת הקולטן.
זה פותח הזדמנויות חדשות לתרופות GPCR של הידבקות, מכיוון שכעת אנו מראים שהאזור החוץ-תאי מתקשר עם האזור הטרנסממברני".
דמט אראס, דוקטורט, פרופסור חבר לביוכימיה וביולוגיה מולקולרית ב- UChicago ומחבר בכיר של המחקר החדש
התוצאות פורסמו החודש ב תקשורת טבע.
לכידת תמונות חדשות ותצורות חדשות
האזור החוץ-תאי של aGPCR משתרע מקרום התא לחלל מחוץ לתא, שם הוא יכול להיקשר למולקולות ולקולטנים מתאי אחרים. הוא מורכב ממספר תחומים, כולל תחום GPCR Autoproteolysis INducing (GAIN), שיכול לפצל את עצמו לשני חלקים.
ההבנה המקובלת לגבי אופן הפעלת aGPCR היא שליגנד מחוץ לתא נצמד לאחד מהתחומים החוץ-תאיים ומפעיל כוח שמפריד בין תחום ה-GAIN לחלק השני שלו, פפטיד הנקרא אגוניסט קשור (TA) שנשאר מחובר אליו. האזור הטרנסממברני. כאשר ה-TA מופרד, הוא יכול לנוע ולקיים אינטראקציה עם האזור הטרנסממברני כדי ליזום איתות, אך גוף הולך וגדל של מחקר ביוכימיה מראה שתפקודים רבים של aGPCR אינם מסתמכים על המנגנון התלוי במחשוף זה. הפרדת תחום ה-GAIN גם היא בלתי הפיכה, ומשאירה את הקולטן במצב "מופעל" קבוע, מה שעלול להזיק לתא. לפעמים תא צריך להפעיל ולכבות קולטן, אז חייבת להיות דרך אחרת לעשות זאת.
המעבדה של Araç עובדת כבר 11 שנים כדי לחשוף את המבנה של aGPCR באורך מלא, בתקווה ללמוד כיצד אותות נכנסים מועברים מבחוץ אל תוך התא. ידוע לשמצה שקשה להבין את הקולטנים הללו במלואם מכיוון שלאזורים החוץ-תאיים יש הרבה תצורות מורכבות ומובדלות. סטודנט לתואר שני, Szymon Kordon, PhD, הוביל את המחקר החדש, וקלט את עבודתו של סטודנט קודם כדי ללכוד תמונות של המבנה השלם של Latrophilin3, aGPCR המעורב בפיתוח סינפסות מוח, אשר נקשר גם להפרעת קשב וריכוז ומספר סוגי סרטן .
Kordon ו-Araç מיטבו את היצירה והטיהור של Latrophilin3 ולכדו תמונות מיקרוסקופיות אלקטרוניות ראשוניות, אך הם עמדו בפני אתגרים רבים כדי לקבל תמונה טובה של הקולטן. לאחר מכן הם עבדו עם אנטוני קוסיאקוף, PhD, פרופסור השירות המוכר של Otho SA Sprague לביוכימיה וביולוגיה מולקולרית ב- UChicago, כדי ליצור נוגדן סינתטי שיכול להיצמד ל-aGPCR. נוגדן זה ייצב את האזור החוץ-תאי והעניק לו צורה ייחודית שאפשרה לקורדון ללכוד את מבנה הקולטן המלא באמצעות מיקרוסקופ קריו-אלקטרון (cryo-EM), טכניקת הדמיה המקפיאה תאים ומולקולות לצורך תמונת מצב. התמונות שהתקבלו הפכו למבנה הידוע הראשון של aGPCR שלם.
תמונות ה-cryo-EM הראו שתחום ה-GAIN של הקולטן תפס כמה מיקומים שונים ביחס למשטח התא. כל מיקום שונה של תחום ה-GAIN יצר נקודת מגע שונה בינו לבין האזור הטרנסממברני. החוקרים תהו האם התצורות השונות הללו יכולות להיות אמצעי אחר לתקשורת לתא, מבלי להפריד לחלוטין את תחום ה-GAIN. אז, הם שיתפו פעולה עם רזה ופאבאכש, PhD, פרופסור חבר למדעי הביו המולקולריים באוניברסיטת נורת'ווסטרן, ו-Christina Cechova, PhD, חוקרת פוסט-דוקטורט ב-Northwestern, כדי להריץ סדרה שנייה של ניסויים שעקבה אחר התנועות של האזורים החוץ-תאיים.
Cechova והצוות השתמשו בהדמיה של העברת אנרגיה תהודה של Förster (FRET), שיכולה למדוד את העברת האנרגיה בין מולקולות הקרובות זו לזו. לאחר הצמדת סמני פלורסנט לנקודות שונות הן באזור החוץ-תאי והן באזור הטרנסממברני של ה-aGPCR, הם יכלו לעקוב אחר תנועותיו כפי שהוא מגיב לכוחות ההיצמדות המושכים ודוחפים אותו. מה שהם ראו אישר את חשדם לגבי תפקודן של התצורות השונות.
"מצבים קונפורמטיביים שונים קשורים לפעילות איתות שונה של הקולטן", אמר קורדון. "זה מראה את הרלוונטיות התפקודית של הקונפורמציות הללו על האיתות במורד הזרם בתא." קורדון, שסיים את לימודיו ב-2024, קיבל מאוחר יותר את פרס עבודת הדוקטורט הטובה ביותר מהמחלקה לביוכימיה וביולוגיה מולקולרית ב- UChicago על עבודתו בפרויקט זה.
דרך חדשה להפעלת קולטנים
Araç אמר כי כעת, לאחר שהם מבינים טוב יותר את המבנה של aGPCRs וכיצד הם פועלים, הם יכולים לראות פוטנציאל להתמקד בהם בתרופות באותו אופן כמו קולטנים אחרים. חוקרים יכלו להנדס נוגדנים כמו אלה המשמשים במחקר זה כדי לייצב אותם להדמיה, אך נועדו לתמרן את פעילותם במקום זאת. מכיוון של-aGPCR יש צורות ומבנים שונים, נוגדנים אלה יכולים להיות מדויקים מאוד גם כן. עם 33 aGPCRs שונים שכבר זוהו בבני אדם, יש הרבה הזדמנויות.
"זה יכול להיות העתיד של GPCR של הידבקות סמים", אמר אראס. "היתרון בכך הוא שהאזורים החוץ-תאיים שונים מאוד זה מזה, כך שניתן למקד אותם עם תרופה שאינה נקשרת לקולטנים אחרים וגורמת לתופעות לוואי לא רצויות".
המחקר, "צימוד קונפורמציוני בין תחומים חוץ-תאיים לתחומים טרנסממברניים מווסת את תפקוד ה-Holo-adhesion GPCR", נתמך על ידי המכון הלאומי לבריאות, הקונסורציום הביו-רפואי של שיקגו והמכון הלאומי לסרטן. מחברים נוספים כוללים את סומיט ג'יי בנדקר, קתרין לאון ופשמיסלאב דוטקה מ-UCChicago ו-Gracie Siffer מ-Northwestern.
