Neuroni razgovaraju jedni sa drugima koristeći hemijske signale koji se nazivaju neurotransmiteri. Naučnici u Dečjoj istraživačkoj bolnici St. Jude su se oslanjali na ekspertizu strukturalne biologije da bi utvrdili strukture vezikularnog monoaminskog transportera 2 (VMAT2), ključne komponente neuronske komunikacije.
Vizuelizacijom VMAT2 u različitim stanjima, naučnici sada bolje razumeju kako funkcioniše i kako različiti oblici koje protein poprima utiču na vezivanje lekova – kritične informacije za razvoj leka za lečenje hiperkinetičkih poremećaja (suvišnog pokreta), kao što je Touretteov sindrom. Rad je objavljen u časopisu Priroda.
Hemijska jedinjenja koja se nazivaju monoamini, koja uključuju dopamin, serotonin i adrenalin, igraju centralnu ulogu u neuronskoj komunikaciji. Ovi molekuli utiču na to kako mozak funkcioniše, kontrolišući naše emocije, san, kretanje, disanje, cirkulaciju i mnoge druge funkcije. Monoamini su neurotransmiteri (signalni molekuli) koje proizvode i oslobađaju neuroni, ali pre nego što se oslobode, moraju se prvo upakovati u vezikule.
Vezikule su ćelijski odeljci koji čuvaju neurotransmitere pre nego što se oslobode u sinapsama (spoj kroz koji hemijski signali prolaze od jednog neurona do drugog). Zamislite vezikule kao teretne brodove neuronske ćelije – neurohemikalije su spakovane u njima i odnešene tamo gde treba da odu.
VMAT su proteini na membrani ovih vezikula koji pomeraju monoamine u unutrašnji prostor, delujući kao kranovi za utovar za teretne brodove.
„VMAT su transporteri koji su potrebni za pakovanje ovih monoaminskih neurotransmitera u sinaptičke vezikule“, objasnio je ko-korespondentni autor Chia-Hsueh Lee, Ph.D., Odeljenje za strukturnu biologiju St. Jude.
Kada VMAT napuni vezikulu monoaminima, „teretni brod“ se kreće ka sinaptičkom jazu (prostor između neurona), gde oslobađa hemijska jedinjenja.
Postoje dve vrste VMAT-a: VMAT1 i VMAT2. VMAT1 je specijalizovaniji, nalazi se samo u neuroendokrinim ćelijama, dok se VMAT2 nalazi u celom neuronskom sistemu i ima značajan klinički značaj.
„Znali smo da je VMAT2 fiziološki veoma važan“, rekao je Li. „Ovaj transporter je meta za farmakološki relevantne lekove koji se koriste u lečenju hiperkinetičkih poremećaja kao što su horeja i Touretteov sindrom.“
Uprkos njihovoj važnosti, struktura VMAT2, koja bi omogućila istraživačima da istraže kako u potpunosti funkcioniše, ostala je neuhvatljiva. Li i njegov tim su koristili krio-elektronsku mikroskopiju (krio-EM) da bi dobili strukture VMAT2 vezane za monoamin serotonin i lekove tetrabenazin i rezerpin, koji se koriste za lečenje horeje i hipertenzije. Ovo nije bio lak podvig.
„VMAT2 je mali membranski protein“, objasnio je prvi autor Iakin Dai, dr., Odeljenje za strukturnu biologiju St. Jude. „To ga čini veoma izazovnom metom za određivanje krio-EM strukture.“
Uprkos poteškoćama i korišćenju nekih pametnih trikova, tim je uhvatio višestruke strukture VMAT2 koje su im omogućile da otkriju kako protein funkcioniše i istraže kako tačno ti lekovi funkcionišu.
„VMAT transporteri usvajaju više konformacija [oblika] dok transportuju svoj supstrat. Ovo se naziva transport naizmeničnog pristupa, gde je protein ili ‘napolje’ ili ‘unutra’ okrenut“, objasnio je prvi autor Shabareesh Pidathala, dr. St. Jude Department of Structural Biologi. „Da bismo u potpunosti stekli mehaničko razumevanje na atomskom nivou, morali smo da uhvatimo višestruke konformacije ovog transportera.“
Istraživači su otkrili da ovaj dinamički mehanizam znači višestruke mogućnosti da se lekovi vežu. Oni su potvrdili da rezerpin i tetrabenazin vezuju dve različite konformacije VMAT2.
„Trideset ili 40 godina farmakološkog istraživanja sugerisalo je da se ova dva leka vezuju za transporter na različite načine“, rekao je Pidathala, „ali niko nije znao atomske detalje o tome kako ovo funkcioniše. Naše strukture lepo pokazuju da ova dva leka stabilizuju dve različite konformacije transportera da blokira njegovu aktivnost.“
Struktura VMAT2 sa vezanim za serotonin omogućila je istraživačima da odrede specifične aminokiseline koje su u interakciji sa neurotransmiterom i pokreću transport. „Verujemo da je ovo uobičajen mehanizam koji ovaj transporter koristi da angažuje sve monoamine“, rekao je Li.
Iako ovaj rad nudi ogroman korak napred u razumevanju transporta monoamina, Lee i njegov tim dublje zadiru u njegov mehanizam. Na primer, unos monoamina u vezikule je podstaknut protonima koji se kreću u drugom pravcu.
„Identifikovali smo aminokiseline koje su važne za ovaj proces zavisan od protona“, rekao je Li, „ali još uvek ne znamo kako tačno protoni pokreću ovaj transport. Određivanje ovog mehanizma je naš budući pravac, koji će nam pomoći da u potpunosti shvatimo kako ovaj transporter radi“.
Drugi prvi autor studije je Šujun Liao sa Škole prirodnih nauka Univerziteta u Pekingu. Ko-korespondent studije je Zhe Zhang sa Škole prirodnih nauka Univerziteta u Pekingu. Drugi autori su Ksiao Li i Chi-Lun Chang iz St. Jude i Changkun Long sa Škole prirodnih nauka Univerziteta u Pekingu.
