Några av de mest effektiva behandlingarna mot virusinfektioner och cancer tillhör en klass av läkemedel som kallas nukleosidanaloger. Dessa är i huvudsak felaktiga versioner av molekylära byggstenar som kan glida in i celler och införlivas i DNA, effektivt kasta en skiftnyckel i maskineriet som virus och cancerceller för att göra kopior av sig själva.
Sådana föreningar, som inkluderar kemoterapeutiska medel som 5-fluorouracil och gemcitabin, populära HIV-läkemedel som AZT, och potenta hepatit B-behandlingar som acyklovir, har dramatiskt förändrat resultaten för miljontals människor som drabbats av livshotande sjukdomar.
Forskare från Duke University har nu modellerat biomolekylers komplexa form och rörelse för att göra en animation som visar hur nukleosidanaloger och naturliga nukleosider transporteras in i celler. Hjärtat i systemet är en specifik molekyl som lämpligen heter den koncentrerade nukleosidtransportören, eller CNT. Forskarnas film visar att CNT sakta flyttar sin last som en hiss, stannar vid olika punkter över cellmembranet innan de når andra sidan.
Deras resultat, publicerades tidigt online i Natur , tillhandahålla viktig strukturell information som kan användas för att designa smartare, mer specifika anticancer- och antivirala läkemedel.
"Vår studie är den första som ger en visualisering av nästan alla möjliga konformationer av denna transportör i rörelse, " sade senior studieförfattare Seok-Yong Lee, Ph.D., docent i biokemi vid Duke University School of Medicine. "Genom att förstå hur denna transportör känner igen och importerar nukleosider, vi kanske kan omdesigna läkemedel som är bättre på att komma in i specifika celler som de som hyser cancer eller ett virus."
Ritningen för varje levande organism ligger i de tvinnade DNA-strängarna som är begravda i celler. Dessa strängar består av fyra nukleotid "baser" - G, A, C, T, arrangerade längs en ryggrad av sockerarter och fosfatmolekyler. Varje gång en cell växer och delar sig, den måste göra fler kopior av de ursprungliga DNA-strängarna. Därav, aktiva celler importerar ständigt fler byggstenar för att fylla på sitt genetiska material, speciellt de essentiella nukleosiderna, som är som en nukleotidbas utan fosfat.
Femtio år sedan, forskare designade de första nukleosidanalogerna, molekylära härmar som förstör denna DNA-konstruktionsförsörjningskedja för att göra snabbväxande och särskilt behövande cancerceller och virus ur funktion.
Liksom deras naturliga motsvarigheter, nukleosidanaloger bärs över cellmembranet av speciella proteiner som kallas nukleosidtransportörer. I den här studien, Lees grupp försökte fånga en av de vanligaste transportörerna, känd som den koncentrerade nukleosidtransportören eller CNT, när den korsade membranet.
Marscha Hirschi, en doktorand i Lees labb, använde en teknik som kallas röntgenkristallografi för att skapa en tredimensionell bild på atomnivå av proteinet. Hon tog sedan en serie bilder av CNT i olika konformationer för att producera en slags time-lapse-video av transportören i aktion:först, eftersom det är redo att fånga nukleosiden uridin på ytan av cellen; Nästa, när det rörde sig över membranet i etapper; och slutligen, när det frigjorde uridin inuti cellen.
"Vi fann att det finns en region på proteinet som kallas transportdomänen som fungerar som en hiss, skiftar till olika konformationer när den transporterar last upp och ner över membranet, ", sa Lee. "Andra studier hade visat att många transportörer rör sig på detta sätt, men vår är den första som registrerar nästan alla steg i hissmodellen. Denna mer detaljerade förståelse skulle kunna ge en plattform för den framtida utvecklingen av läkemedel som är mer selektiva och effektiva."
Lee säger att transportörer som ansvarar för att importera en mängd olika molekyler, som neurotransmittorer, metaboliter, och joner, använda mekanismer som liknar CNT. Således, de nya rönen kan få konsekvenser som sträcker sig bortom virusinfektioner och cancer till ett antal olika kliniskt relevanta fysiologiska processer.
