Nove revolucionarne slike jednog od najbrže delujućih proteina u mozgu pružaju kritične tragove koji mogu dovesti do razvoja ciljanih terapija za lečenje epilepsije i drugih poremećaja mozga. Nalazi su objavljeni u časopisu Priroda.
Munjeviti pokreti moždanog kainatnog receptora su neophodni za komunikaciju između neurona, ali stvaraju nedoumicu za strukturalne biologe koji pokušavaju da shvate slike receptora u akciji.
Kada se aktivira, kainatni receptor ugrađen u površinu neurona otvara svoj jonski kanal, a zatim zatvara kanal za nekoliko milisekundi.
„To je ključni problem za strukturne biologe: morate da zamrznete ove molekule nekoliko trenutaka pre nego što se kanal zatvori“, kaže Aleksandar Sobolevski, vanredni profesor biohemije i molekularne biofizike na Vagelos koledžu lekara i hirurga Univerziteta Kolumbija, koji je predvodio tim koji je dobio nove slike.
„Ali potrebno je oko 30 sekundi da se zamrzne molekul, a to je jednostavno presporo.“
Nije da strukturalni biolozi — naučnici koji dobijaju slike i grade modele životnih molekula — nisu pokušali.
Disfunkcija kainatnog receptora je uključena u epilepsiju i umešana je u mnoge druge poremećaje mozga, uključujući depresiju, anksioznost i autizam. To je poželjna meta za programere lekova, ali samo nekoliko odobrenih lekova bezbedno cilja na receptor.
„Svi pokušavaju da dobiju slike receptora u akciji kako bismo razumeli kako funkcioniše i dizajnirali lekove da ga kontrolišu“, kaže Sobolevski.
Uspeh sa dve inovacije
„Snimanje slika aktivnog receptora bio je dugogodišnji naučni problem koji smo pokušavali da rešimo“, kaže Šanti Pal Gangvar, naučni saradnik u laboratoriji Sobolevskog. Vreme koje kanal ostaje otvoren tokom aktivacije, nekoliko milisekundi, je prekratko da bi se izvršilo konvencionalno zamrzavanje receptora za krioelektronsku mikroskopiju (krio-EM), tehniku strukturne biologije koju koristi laboratorija Sobolevskog za snimanje molekula života.
Da bi dobio slike receptora u akciji, tim Sobolevskog je razvio dva različita trika koji usporavaju zatvaranje kanala i ubrzavaju proces zamrzavanja.
Prvo, tim je tražio molekule koji se drže receptora i drže ga otvorenim. Pronašli su dva takva molekula — BPAM i lektin Concanavalin A. Mali molekul sličan leku BPAM produžio je otvaranje kanala za nekoliko stotina milisekundi, ali kašnjenje je i dalje bilo nedovoljno da se kanal uhvati u otvorenom stanju. Tek nakon dodavanja lektina, proteina koji se vezuje za šećere koji ukrašavaju glikoproteine, kanal je ostao otvoren nekoliko sekundi.
Elektrofiziološki snimci su bili ključni za određivanje vremena. „Sa ovim snimcima otkrila sam da samo BPAM ili lektin nisu u stanju da održe kanal otvoren dovoljno dugo“, kaže Marija Jelšanskaja, naučni saradnik istraživač u laboratoriji Sobolevski i stručnjak za elektrofiziologiju.
„Kada sam video sinergijski efekat BPAM-a i lektina zajedno, to je bio trenutak Eureke za nas.
Nekoliko sekundi je i dalje bilo prebrzo za konvencionalno krio-EM zamrzavanje, kojem je potrebno oko 30 sekundi da se uzorak uroni u tečni etan i pripremi za snimanje. Dakle, Kiril Nadeždin, naučnik postdoktorskog istraživanja u laboratoriji Sobolevski, dizajnirao je robotski klip da potopi uzorak za manje od 3 sekunde, zarobivši receptore (vezane za BPAM i lektin) u otvorenom stanju.
Sa robotskim klipom i molekularnim stabilizatorima, tim Sobolevskog je snimio slike kainatnog receptora u različitim otvorenim konfiguracijama.
„Obe inovacije su bile neophodne“, kaže Sobolevski. „Ne bismo mogli da uhvatimo otvorena stanja receptora samo sa jednim ili drugim.“
Slike otvorenog receptora kainata pružaju kritične informacije za programere lekova.
Neki lekovi, blokatori jonskih kanala, deluju kao čepovi u bocama vina i zatvaraju otvorene kanale. „Potrebna vam je struktura otvorenog kanala da biste stvorili lek koji savršeno odgovara atomu na atom“, kaže Sobolevski.
Slike takođe pokazuju kako bi perampanel, lek za epilepsiju koji cilja kainatne receptore, mogao biti optimizovan da cilja specifične verzije kainatnih receptora i obezbedi preciznije lekove za pacijente. Saradnici već koriste laboratorijske slike Sobolevskog da bi pomoću kompjuterskog modeliranja istražili moguće promene leka.
Metode koje je razvio tim Sobolevskog trebalo bi da pomognu drugim istraživačima da dobiju više slika otvorenih kainatnih receptora i drugih tipova molekula koji brzo funkcionišu.
„Što više slika budemo imali, to će modeli biti bolji, a nadamo se da će naši lekovi biti bolji“, kaže Sobolevski.
