Forskare vid University of Michigan, Stanford University och bioteknikföretaget ConfometRx har tagit de första ögonblicksbilderna av kryoelektronmikroskopi av en viktig cellulär receptor i aktion.
Resultaten, som publicerades online den 24 maj i tidskriften Natur , avslöja ny information om hur G-proteinkopplade receptorer fungerar - som är mellanhänder för molekylära meddelanden relaterade till nästan alla funktioner i människokroppen.
G-proteinkopplade receptorer, ofta stenografiskt som GPCR, bor i cellmembranet, där de upptäcker signaler från utsidan av cellen och överför dem till insidan för att påverkas. De reagerar på signaler inklusive sensorisk input som ljus, smak och lukt, samt till hormoner och signalsubstanser.
Den nya, bilder med nära atomupplösning ger en otroligt detaljerad titt på hur dessa viktiga receptorer binder till och överför signaler från peptidhormoner.
Teamet avslöjade hur hormonet GLP-1 (Glukagon-liknande peptid-1) binder till sin receptor på utsidan av en cell, och hur detta orsakar förändringar i arrangemanget av den del som sträcker sig in i cellen - som sedan kopplar in och aktiverar G-proteinet.
GLP-1 spelar en viktig roll för att reglera insulinutsöndringen, kolhydratmetabolism och aptit. Det binder till B-familjen av G-proteinkopplade receptorer, även om information om deras exakta interaktioner hittills har begränsats av en brist på bilder av komplexet i aktion.
"Det är svårt att överskatta vikten av G-proteinkopplade receptorer, sade Georgios Skiniotis, en forskare vid U-M Life Sciences Institute and Medical School, och en senior författare av studien. "GPCR är måltavla för ungefär hälften av alla droger, och att få sådana strukturer genom kryoelektronmikroskopi kommer att vara avgörande för ytterligare läkemedelsupptäcktsansträngningar. GLP-1-receptorn är ett viktigt läkemedelsmål för typ 2-diabetes och fetma."
Storleken och bräckligheten hos GPCR-komplex har gjort dem notoriskt svåra att fånga med den långvariga guldstandarden för bildbehandling:röntgenkristallografi. Det tog Brian Kobilka, en professor i molekylär och cellulär fysiologi vid Stanford University Medical School och en senior medarbetare på tidningen, många år för att få det första – vilket ledde till ett Nobelpris för Kobilka 2012.
Den aktuella studien gjordes med hjälp av en kryo-elektronmikroskopi, eller kryo-EM. Cryo-EM är en utvecklande, banbrytande bildteknik som innebär att proteiner fryses i ett tunt lager av lösning och sedan studsar elektroner från dem för att avslöja deras form. Eftersom de frysta proteinerna är orienterade åt alla håll, datorprogramvara kan senare kombinera de tusentals enskilda ögonblicksbilderna till en 3D-bild med nästan atomär upplösning.
Framsteg inom kryo-EM gör det nu möjligt att fånga proteinkomplex med liknande upplösning som röntgenkristallografi, utan att behöva tvinga proteinerna till snygga, ordnade kristaller – vilket begränsar mångfalden av arrangemang och interaktioner som är möjliga.
"Med cryo-EM, vi kan också avslöja mer information om hur GPCR:er flexar och rör sig, sa Yan Zhang, en postdoktor i Skiniotis labb och en medförfattare till uppsatsen. "Och vi kan observera funktionella förändringar i komplex som är svåra, om inte omöjligt, att kristallisera."
