Ученые из Scripps Research, Флорида, определили структуру, близкую к атомной, необычного рецептора клеток мозга под названием GPR158, который был связан с депрессией и тревогой.
Структурное исследование выявляет как рецептор, так и его регулирующий комплекс, продвигая понимание базовой биологии клеточных рецепторов. Это также позволяет работать над потенциальными терапевтическими средствами, предназначенными для блокирования GPR158 в качестве стратегии лечения депрессии, беспокойства и, возможно, других расстройств настроения, пишет medicalxpress.com.
В исследовании, опубликованном 18 ноября в журнале Science, исследователи использовали ультрахолодную одночастичную электронную микроскопию или крио-ЭМ, чтобы нанести на карту атомную структуру с разрешением около одной трети миллиардной метра. GPR158 как сам по себе, так и когда он связан с группой белков, которые опосредуют его активность.
«Мы изучали этот рецептор более 10 лет и много изучили его биологию, поэтому мне действительно приятно впервые увидеть, как он устроен», - говорит ведущий автор Кирилл Мартемьянов, доктор философии, Профессор и заведующий кафедрой неврологии в Scripps Research.
Клиническая депрессия, также называемая большим депрессивным расстройством, по оценкам, поражает примерно 20 миллионов человек в Соединенных Штатах в любой конкретный год. Современные методы лечения воздействуют на другие известные рецепторы , включая моноамин, но не всегда эффективны для всех людей, и необходимы альтернативные варианты.
Мартемьянов и его команда обнаружили в исследовании 2018 года, что GPR158 присутствует в необычно высоких концентрациях в префронтальной коре людей, у которых на момент смерти диагностировано большое депрессивное расстройство. Они также обнаружили, что подвергание мышей хроническому стрессу увеличивает уровни этого рецептора в префронтальной коре головного мозга мышей, что приводит к депрессивному поведению, тогда как устранение активности GPR158 у мышей, находящихся в хроническом стрессе, делает их устойчивыми к депрессии и последствиям стресса. Кроме того, активность рецептора GPR158 также связана с раком простаты.
Исторически GPR158 было непросто изучить. Его называют «сиротским рецептором», потому что ученые еще не определили молекулу, отвечающую за включение его сигнальной функции таким же образом, как при щелчке переключателя. Рецептор также считается необычным, потому что в мозге, в отличие от большинства рецепторов его семейства, он существует в тесной связи с белковым комплексом, называемым сигнальным комплексом RGS. RGS - это сокращение от «регулятор передачи сигналов G-белка», и он действует как мощный тормоз клеточной передачи сигналов. Однако было неясно, почему GPR158 задействует это.
В новом исследовании определение структуры рецептора дало много понимания того, как работает GPR158. Во-первых, ученые обнаружили, что он связывает комплекс RGS таким же образом, как многие рецепторы обычно задействуют свои обычные преобразователи, что привело к идее, что он использует белки RGS как средство передачи своего сигнала. Во-вторых, структура показала, что рецептор существует в виде двух взаимосвязанных копий белков GPR158, стабилизированных фосфолипидами.
«Это связанные с жиром молекулы, которые эффективно скрепляют вместе две половины рецептора», - объясняет Мартемьянов.
Наконец, на другой стороне рецептора, обращенной за пределы клетки, был обнаружен необычный модуль, называемый кэш-доменом. Авторы считают, что кэш-домен служит ловушкой для молекул, активирующих GPR158. Кэш-домены никогда ранее не наблюдались в рецепторах этого типа, что демонстрирует уникальную биологию этого рецептора-сироты.
Первый автор Дипак Патил, доктор философии, штатный научный сотрудник лаборатории Мартемьянова, говорит, что решение структуры дает много новых открытий.
«Я очень рад видеть структуру этого уникального GPCR. Он первый в своем роде, демонстрирующий множество новых функций и предлагающий путь для разработки лекарств», - говорит Патил.
Теперь задача состоит в том, чтобы использовать информацию, полученную из структуры, для разработки низкомолекулярных терапевтических средств для борьбы с депрессией, добавляет Мартемьянов.
Сейчас он изучает несколько возможных подходов, в том числе разрушение двухкомпонентной структуры, вмешательство в работу комплекса RGS или целенаправленное воздействие на кэш-домен с помощью небольших молекулярных связующих веществ, подобных лекарству. Независимо от выбранного пути, наличие структурной информации должно значительно облегчить усилия по разработке лекарств для лечения депрессии, говорит Мартемьянов.
Это исследование стало возможным благодаря последним технологическим достижениям в микроскопии, включая замораживание белков при сверхнизких температурах и изучение их организации через линзы мощных микроскопов, метод, называемый криогенной электронной микроскопией или Cryo-EM.
«Микроскоп использует пучок электронов вместо света для изображения белковых ансамблей. Более короткая длина волны электронов по сравнению со светом позволила нам визуализировать наш образец с разрешением, близким к атомному», - говорит структурный биолог профессор Тина Изард, доктор философии.
Патрик Гриффин, доктор философии Scripps Research, научный руководитель Флориды, стал соавтором исследования, в котором применялась технология структурной протеомной платформы.
«Перспективы Cryo-EM для достижения значительного прорыва в решении структур биомолекул огромны. Наш институт твердо привержен расширению Cryo-EM микроскопии, что стало возможным благодаря недавнему приобретению и установке нового микроскопа в университетском городке».
В исследовании участвовали исследователи из Колумбийского университета и Аппу Сингх, доктор философии, структурный биолог из Индийского технологического института в Канпуре.
