Receptorer som finns på cellytor binder till hormoner, proteiner och andra molekyler, vilket hjälper celler att reagera på sin miljö. Kemister från MIT har nu upptäckt hur en av dessa receptorer ändrar sin form när den binder till sitt mål, och hur dessa förändringar får celler att växa och föröka sig.

Denna receptor, känd som epidermal tillväxtfaktorreceptor (EGFR), överuttrycks i många typer av cancer och är målet för flera cancerläkemedel. Dessa läkemedel fungerar ofta bra i början, men tumörer kan bli resistenta mot dem. Att förstå mekanismen för dessa receptorer bättre kan hjälpa forskare att designa läkemedel som kan undvika den resistensen, säger Gabriela Schlau-Cohen, docent i kemi vid MIT.

"Att tänka på mer allmänna mekanismer för att rikta in sig på EGFR är en spännande ny riktning och ger dig en ny väg att tänka på möjliga terapier som kanske inte utvecklar resistens lika lätt", säger hon.

Schlau-Cohen och Bin Zhang, Pfizer-Laubachs karriärutvecklingsassistent i kemi, är seniorförfattarna till studien, som idag visas i Nature Communications . Tidningens huvudförfattare är MIT doktorand Shwetha Srinivasan och tidigare MIT postdoc Raju Regmi.

Receptorer som ändrar form

EGF-receptorn är en av många receptorer som hjälper till att kontrollera celltillväxt. Finns på de flesta typer av epitelceller från däggdjur, som kantar kroppsytor och organ, och kan svara på flera typer av tillväxtfaktorer förutom EGF. Vissa typer av cancer, särskilt lungcancer och glioblastom, överuttrycker EGF-receptorn, vilket kan leda till okontrollerad tillväxt.

Liksom de flesta cellreceptorer sträcker sig EGFR över cellmembranet. En extracellulär region av receptorn interagerar med dess målmolekyl (även kallad en ligand); en transmembransektion är inbäddad i membranet; och en intracellulär sektion interagerar med cellulärt maskineri som styr tillväxtvägar.

Den extracellulära delen av receptorn har analyserats i detalj, men de transmembrana och intracellulära sektionerna har varit svåra att studera eftersom de är mer oordnade och inte kan kristalliseras.

För ungefär fem år sedan gav Schlau-Cohen sig för att försöka lära sig mer om de mindre kända strukturerna. Hennes team bäddade in proteinerna i en speciell typ av självmonterande membran som kallas en nanoskiva, som efterliknar cellmembranet. Sedan använde hon en molekyl FRET (fluorescensresonansenergiöverföring) för att studera hur receptorns konformation förändras när den binder till EGF.

FRET används vanligtvis för att mäta små avstånd mellan två fluorescerande molekyler. Forskarna märkte det nanodiska membranet och änden av den intracellulära svansen av proteinet med två olika fluoroforer, vilket gjorde det möjligt för dem att mäta avståndet mellan proteinsvansen och cellmembranet, under en mängd olika omständigheter.

Till sin förvåning fann forskarna att EGF-bindning ledde till en stor förändring i receptorns konformation. De flesta modeller av receptorsignalering involverar interaktion mellan flera transmembranspiraler för att åstadkomma storskaliga konformationsförändringar, men EGF-receptorn, som bara har ett enda spiralformat segment i membranet, verkar genomgå en sådan förändring utan att interagera med andra receptormolekyler.

"Tanken på att en enda alfahelix skulle kunna omvandla en så stor konformationell omarrangering var verkligen överraskande för oss", säger Schlau-Cohen.

Molekylär modellering

För att lära dig mer om hur denna formförändring skulle påverka receptorns funktion, slog Schlau-Cohens labb ihop med Zhang, vars labb gör datorsimuleringar av molekylära interaktioner. Denna typ av modellering, känd som molekylär dynamik, kan modellera hur ett molekylärt system förändras över tiden.

Modelleringen visade att när receptorn binder till EGF så står det extracellulära segmentet av receptorn upp vertikalt och när receptorn inte är bunden ligger den platt mot cellmembranet. På samma sätt som när gångjärnet stängs, när receptorn faller platt, lutar den transmembransegmentet och drar det intracellulära segmentet närmare membranet. Detta blockerar den intracellulära regionen av proteinet från att kunna interagera med maskineriet som behövs för att starta celltillväxt. EGF-bindning gör dessa regioner mer tillgängliga, vilket hjälper till att aktivera tillväxtsignalvägar.

Forskarna använde också sin modell för att upptäcka att positivt laddade aminosyror i det intracellulära segmentet, nära cellmembranet, är nyckeln till dessa interaktioner. När forskarna muterade dessa aminosyror och bytte dem från laddade till neutrala, aktiverade inte längre ligandbindning receptorn.

"Det finns en fin överensstämmelse vi kan se mellan simuleringen och experimentet," säger Zhang. "Med simuleringarna av molekylär dynamik kan vi ta reda på vilka aminosyror som är väsentliga för kopplingen och kvantifiera olika aminosyrors roll. Sedan visade Gabriela att dessa förutsägelser visade sig vara korrekta."

Forskarna fann också att cetuximab, ett läkemedel som binder till EGF-receptorn, förhindrar denna konformationsförändring från att inträffa. Cetuximab har visat viss framgång vid behandling av patienter med kolorektal eller huvud- och halscancer, men tumörer kan bli resistenta mot det. Att lära sig mer om mekanismen för hur EGFR svarar på olika ligander kan hjälpa forskare att designa läkemedel som kan vara mindre benägna att leda till resistens, säger forskarna.