I en gemensam studie har forskare från The Scripps Research Institutes campus i Kalifornien och Florida visat att förändringar i ett proteins struktur kan ändra dess signalfunktion och de har preciserat de exakta regionerna där dessa förändringar äger rum.
De nya fynden kan hjälpa till att ge en mycket tydligare bild av potentiella läkemedel som skulle vara både effektiva och mycket specifika i sina biologiska verkan.
Undersökningen, ledd av Patrick Griffin från Scripps Florida och Raymond Stevens från Scripps California, publicerades i en ny upplaga av tidskriften Structure.
Den nya studien fokuserar på den β2-adrenerga receptorn, en medlem av den G-proteinkopplade receptorfamiljen. G-proteinkopplade receptorer omvandlar extracellulära stimuli till intracellulära signaler genom olika vägar. Ungefär en tredjedel av de läkemedel som för närvarande marknadsförs (inklusive för diabetes och hjärtsjukdomar) riktar sig mot dessa receptorer.
Forskare har känt till att när specifika regioner av receptorn aktiveras av neurotransmittorer eller hormoner, förändras receptorns strukturella arrangemang (konformation) tillsammans med dess funktion.
"Även om det är accepterat att dessa receptorer antar flera konformationer och att varje konformation utlöser en specifik typ av signalering, har den molekylära mekanismen bakom den flexibiliteten varit något av en svart låda", säger Griffin, som är ordförande för Scripps Forskningsavdelningen för molekylär terapi och chef för Scripps Florida Translational Research Institute. "Våra resultat kastar betydande ljus över det."
Studien beskriver i strukturell detalj de olika regionerna av receptorn som är involverade i de förändringar som åstadkoms av selektiva ligander (ligander är molekyler som binder till proteiner för att bilda ett aktivt komplex), som, likt en reostat, löper spektrumet mellan att aktivera receptorn, stänga av den och vända dess funktion, samt att producera olika tillstånd däremellan.
För att uppnå de resultat som beskrivs i studien använde teamet väte-deuterium (HDX) masspektrometri för att mäta effekten av interaktion mellan olika funktionellt selektiva ligander med den β2-adrenerga receptorn. En masspektrometer bestämmer massan av fragment från receptorn genom att mäta förhållandet mellan massa och laddning av deras joner. HDX har använts för att undersöka förändringar i form av proteiner och hur dessa formförändringar relaterar till proteinfunktion. Metoden används ofta för att karakterisera protein-protein-interaktioner som är kritiska för sign altransduktion i celler och för att studera proteinveckningsvägar som är avgörande för cellöverlevnad.
"I detta tidiga skede av att förstå GPCR-struktur och funktion är det viktigt att se hela receptorn i kombination med att sondera mycket specifika regioner", säger Stevens, som är professor vid Scripps Research Department of Molecular Biology. "Masspektrometri för utbyte av väte-deuterium har rätt tidsskala och upplösning för att ställa viktiga frågor om fullständiga receptorkonformationer med avseende på olika farmakologiska ligandbindningar. HDX-datan i kombination med de strukturella data som kommer fram kommer verkligen att hjälpa alla att bättre förstå hur dessa receptorer fungerar."
"Med hjälp av HDX-tekniken kan vi studera den intakta receptorn vid interaktion med ligander och peka ut regioner av receptorn som har genomgått förändring i position eller flexibilitet", sa Griffin. "Genom att studera en uppsättning ligander kan man börja utveckla mönster som är knutna till aktivering av receptorn eller stänga av den. När vi väl får en bild av hur en funktionell ligand ser ut kan det vara möjligt att utveckla ett läkemedel för att producera en mycket selektiv terapeutisk effekt."
Huvudförfattaren till studien, "Ligand-Dependent Perturbation of the Conformational Ensemble for the GPCR b2 Adrenerc Receptor Revealed by HDX", är Graham M. West från Scripps Research. Andra författare inkluderar Ellen Y. T. Chien, Jovylyn Gatchalian och Michael J. Chalmers från Scripps Research och Vsevolod Katritch från University of California, San Diego.
