Nya avbildningsmetoder som gör det möjligt för forskare att spåra de enskilda proteinmolekylerna på ytan av celler har utvecklats av Weill Cornell Medicine-utredare. Resultaten ger oöverträffad insikt i hur celler känner av och reagerar på sina miljöer.

G-proteinkopplade receptorer (GPCR) är proteiner som finns i cellmembranet och vidarebefordrar signaler till cellen för att reglera grundläggande aspekter av mänsklig fysiologi. Signalerna som tas emot via GPCR inkluderar allt från ljus, som aktiverar proteinerna i celler som möjliggör syn, till kemikalier som neurotransmittorer som reglerar humör, till signaler som utlöser smärta. Nästan hälften av alla kliniskt använda läkemedel verkar genom att rikta in sig på distinkta GPCR.

"Dessa proteiner är avgörande för alla aspekter av mänsklig fysiologi, " sa co-senior studieförfattaren Scott Blanchard, professor i fysiologi och biofysik vid Weill Cornell Medicine. "Vi behöver veta hur GPCRs känner igen alla dessa signaler, hur de bearbetar signalerna och hur de överför informationen till cellen för att anropa en specifik åtgärd. Endast genom att göra det kommer vi att kunna utveckla nya generationer av läkemedel som mer exakt riktar in dessa proteiner och därmed kan hjälpa utan att orsaka andra skador."

I en tidning publicerad 7 juni i Natur , Blanchard och kollegor på Weill Cornell Medicine, Stanford och Columbia University beskriver ett viktigt framsteg i denna riktning, uppnåtts med användning av en avbildningsteknik som kallas single-molecule Fluorescence Energy Transfer (smFRET) som gjorde det möjligt för forskarna att titta på enskilda GPCR-molekyler när de reagerade på adrenalinmolekyler, ett hormon som styr funktioner inklusive hjärtslag, andning och vidgning av blodkärl.

"Vi visste redan att GPCR-molekylen fysiskt förändras när adrenalin binds och att denna process gör det möjligt för den att binda intracellulära proteiner, ", sa Blanchard. "Vad vi inte visste mycket om är hur denna aktiveringsprocessen faktiskt går till. Och det är den kritiska saknade informationen som har begränsat vår förståelse av läkemedels effektivitet."

För att de ska kunna se den här processen, Blanchards team utvecklade nya reportermolekyler som kallas fluoroforer som avger fluorescerande ljus och kan fästas på GPCR för att informera om dess rörelser när adrenalin binder. Blanchard-labbet utvecklade också ett nytt mikroskop som kan följa dessa ljusmeddelanden med större noggrannhet. Forskarna tittade sedan på och registrerade rörelserna, använda komplexa beräkningar för att lära sig hur proteinet svarar på dess interaktioner med adrenalin och med ett annat protein i cellen, kallas heterotrimert G-protein, som känner av svaret och låter cellen veta att GPCR har aktiverats av adrenalin.

Resultatet är en högupplöst, höghastighetsfilm som avslöjar detaljerna i de molekylära relationerna som överför adrenalinsignalen genom GPCR in i cellen. Detta avslöjade för forskargruppen för första gången en serie reversibla steg i processen genom vilka en aktiverad GPCR interagerar med sitt intracellulära G-protein som aldrig har setts tidigare. Detta gjorde det möjligt för dem att avsluta sin uppsats med att beskriva varför "Kvantitativa enmolekylära avbildningsundersökningar kommer att vara avgörande för att ... avgränsa distinkta ligandberoende GPCR-signalvägar."

"Det här är viktiga insikter som inte skulle vara möjliga utan bildteknikerna som ökar vår förståelse för hur dessa molekylära maskiner faktiskt fungerar och hur signaler förmedlas från utsidan till insidan av cellen, sa Blanchard, som är på relaterade patent, inklusive ett patent licensierat till Lumidyne för en av de fluoroforer som används i studien. Blanchard är en av grundarna med eget kapital i Lumidyne, ett företag som fokuserar på fluorescensteknologier. "Att kunna se GPCRs inre funktioner har enorma konsekvenser för läkemedelsupptäckten för allt från smärtbehandling till hjärtsjukdomar och cancer. De kliniska implikationerna av denna teknik kan sträcka sig mycket långt."