Forskare vid Scripps Research Institute (TSRI) har tittat djupt in i hjärtat av ett nyckelprotein som används i läkemedelsdesign och upptäckt dynamiska strukturella egenskaper som kan leda till nya sätt att rikta in sig på sjukdomar. Proteinet, kallas A _2A adenosinreceptor (A _2a AR), är en medlem av familjen G-proteinkopplade receptorer (GPCR), som är målen för ungefär 40 procent av alla godkända läkemedel.

Den nya, mer detaljerad bild av A _2a AR:s signalmekanism avslöjar viktiga delar av dess inre funktion, inklusive en aminosyra som fungerar som en "vippströmbrytare" för att styra signalering över cellmembranet.

"Denna grundläggande kunskap är potentiellt användbar för att förbättra läkemedelsdesign, säger nobelpristagaren Kurt Wthrich, PhD, Cecil H. och Ida M. Green professor i strukturbiologi vid TSRI och senior författare till studien.

Resultaten publicerades idag i tidskriften Cell .

Bildteknik avslöjar hur protein ändrar form

Alla mänskliga celler innehåller A _2a AR och andra GPCRs inbäddade i deras plasmamembran. Mer än 800 GPCR har upptäckts i människokroppen, och var och en har en roll i att reglera en kroppsfunktion. Till exempel, A _2a AR reglerar blodflödet och inflammation och förmedlar effekterna av koffein. A _2a AR är också ett validerat mål för behandling av Parkinsons sjukdom och ett relativt nytt mål för inriktning mot cancer.

"GPCR:er gör nästan allt du kan föreställa dig, " säger Wthrich. "Men under en lång tid, drogdesign gjordes utan att veta hur GPCRs såg ut."

För den nya studien, forskarna syftade till att bättre förstå förhållandet mellan A _2a AR-funktion och dynamiska förändringar i dess struktur för att hjälpa till att informera läkemedelsdesign.

Forskningen byggde på tidigare studier där forskare använde en avbildningsteknik som kallas röntgenkristallografi för att bestämma A _2a AR:s tredimensionella struktur. Bilderna visade att A _2a AR ser ut som en kedja som korsar cellmembranet och har en öppning på sidan som är vänd ut ur cellen. Den region av GPCR-strukturen som sticker ut ur membranet interagerar med läkemedel och andra molekyler för att signalera till partnerproteiner inuti cellen.

Även om kristallstrukturer gav en nyckelkontur av receptorns form i inaktiva och aktiva liknande tillstånd, de kunde inte visa rörelse och förändringar i struktur när A _2a AR träffar nya bindande partners, såsom läkemedelskandidater. Kortfattat, forskarna i den nya studien behövde undersöka varför A _2a AR fungerar som det gör.

För att lösa det här problemet, forskarna använde en teknik som kallas kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi, som skapar starka magnetfält för att lokalisera probernas positioner i ett prov. Wthrich är en världskänd ledare inom NMR-området och vann Nobelpriset i kemi 2002 för banbrytande arbete inom NMR för att studera biologiska molekylers strukturer. Med NMR, forskare kan bestämma strukturerna hos proteiner och studera deras dynamiska egenskaper i lösning vid fysiologiska temperaturer - hur de existerar i människokroppen.

I arbete som leds av TSRI:s Matthew Eddy, PhD, första författaren till den nya studien, forskarna använde NMR för att observera A _2a AR i många olika konformationer, belyser hur det ändrar form på ytan av mänskliga celler som svar på läkemedelsbehandlingar.

Viktigt, NMR lät teamet visualisera förändringar i den interna arkitekturen hos A _2a AR. Detta tog dem bortom tidigare NMR-studier, som fokuserade på den tekniskt mindre krävande observationen av NMR-observerbara prober fästa vid flexibla delar av GPCR, mestadels lokaliserad vid eller nära ytan av receptorn. Tillvägagångssättet i den nya studien gjorde det möjligt för forskare att följa effekterna av läkemedelsbindning vid den extracellulära ytan på förändringar i proteinstruktur och dynamik på den intracellulära ytan - den strukturella grunden för signalöverföring - över hjärtat av GPCR.

Det var som om forskarna hade sett en bil, och med NMR, de kunde äntligen inspektera dess motor.

Att tänka om hur vi designar droger

Två detaljer i A _2a AR:s struktur gav forskarna insikt i hur framtida läkemedel kan manipulera receptorn. Ett nyckelfynd var att ersättning av en viss aminosyra i receptorns centrum förstörde receptorns förmåga att skicka signaler in i cellen.

"Med detta fynd, vi kan säga 'A-ha! Det är denna förändring i strukturen som dödar signalaktiviteten.' Kanske kan vi göra en förändring i en drog för att övervinna denna gräns, säger Wthrich.

Forskarna avslöjade också aktiviteten hos en "vippströmbrytare" i A _2a AR. Tidigare studier antydde att en av tryptofanaminosyrorna i A _2a AR vänder upp och ner tillsammans med A _2a AR:s verksamhet. Med NMR, forskarna observerade direkt denna unika tryptofan när den ändrade orientering som svar på olika droger. Kemister kan eventuellt modifiera droger för att manipulera denna switch och kontrollera A _2a AR-signalering.

Forskarna betonar att denna nya studie är potentiellt relevant för mycket av den stora familjen av GPCR. Faktiskt, strukturella detaljer från denna studie kan gälla mer än 600 "klass A" GPCR i våra kroppar.

Förutom Wthrich och Eddy, författare till studien, "Allosterisk koppling av läkemedelsbindning och intracellulär signalering i A _2a Adenosinreceptor, " var Tatiana Didenko och Pawel Stanczak från The Scripps Research Institute; Reto Horst från The Scripps Research Institute och Pfizer Worldwide Research and Development; Zhan-Guo Gao och Kenneth A. Jacobson från National Institutes of Health; och Ming-Yue Lee, Kyle M. McClary, Gye Won Han, Martin Audet, Kate L. White and Raymond C. Stevens of the University of Southern California.