UT Southwestern forskare publicerade idag i Natur atomiska ritningar av den vanligaste klassen av nikotinacetylkolinreceptorer i hjärnan. En strukturell förståelse av proteinet, finns i neuroner, kan leda till nya sätt att behandla nikotinberoende från rökning och vaping.

Tredimensionella strukturer av nikotinacetylkolinreceptor bestämt av cryo-EM, med tillstånd av Hibbs Lab. "När denna receptor binder till antingen signalsubstansen acetylkolin eller till nikotin, det leder till aktivering av neuronen, som sedan skickar signaler till andra neuroner, " sa Dr Ryan Hibbs, motsvarande författare till studien och biträdande professor i neurovetenskap och biofysik vid Peter O'Donnell Jr. Brain Institute vid UT Southwestern. "Denna process av "kemisk neurotransmission" ligger till grund för all snabb kommunikation mellan neuroner. Denna specifika receptor är nära kopplad till nikotinberoende."

Forskare fick de högupplösta strukturerna med hjälp av universitetets 22,5 miljoner dollar kryoelektronmikroskopi (cryo-EM) anläggning, där prover snabbt fryses för att förhindra bildandet av skadliga iskristaller och sedan betraktas vid minus 321 grader Fahrenheit (kryogena temperaturer). UT Southwesterns anläggning – som körs dygnet runt – är en av världens bästa anläggningar för kryo-EM strukturbiologi.

Två nya aspekter av studien gör att den sticker ut inom områdena strukturell biologi och neurovetenskap. Först, forskarna upptäckte ny biologi om hur receptorn binder nikotin i hjärnan, sa Dr Hibbs. För det andra är resultaten relaterade till tekniska aspekter av hur proteinet sätts samman.

"Upptäckten vi gjorde om olika sätt på vilka nikotin interagerar med denna receptor kan hjälpa till att utforma läkemedel för att behandla nikotinberoende och neurodegeneration, " tillade han. "När det gäller montering av receptorn, Klassiska strukturbestämningstekniker kräver i allmänhet ett homogent prov. Dock, för detta protein, receptorn samlas på flera sätt som har viktiga biologiska konsekvenser. Till exempel, en obalans i förhållandet mellan de två subenhetsarrangemangen är knuten till både nikotinberoende och medfödd epilepsi."

Proteinet de studerade består av fem underenheter, av två typer - α och β. Dessa α- och β-subenheter sätts samman i två olika förhållanden till två distinkta fem-subenhetskomplex, en 3a:2p-form och en 2a:3p-form. Komplex av båda förhållandena finns i hjärnan.

"Vi använde en antikroppsmärkningsmetod för att identifiera subenheter och övervinna utmaningar i cryo-EM-beräkning för att erhålla strukturer av båda fem-subenhetskomplexen från ett enda prov. Detta hade inte gjorts tidigare och ger en allmän metod för att bestämma strukturerna för många andra typer av multisubunit kanaler och receptorer som har flera sätt att montera, " förklarade Dr Hibbs, en Effie Marie Cain-stipendiat i medicinsk forskning.

"De två strukturerna är sammansatta av olika förhållanden av α- och β-subenheter. Genom att använda en antikropp som endast binder till β-subenheterna, vi kunde reta ut de två strukturerna från ett prov – en receptor har två antikroppar bundna, medan den andra har tre bundna, " förklarade huvudförfattaren Richard Walsh Jr., en doktorand på programmet Molecular Biophysics.

"Att vara huvudförfattare på ett accepterat manuskript är i och för sig en extremt glädjande upplevelse; att vara huvudförfattare i en studie som accepterats av Natur känns fortfarande overkligt, " han lade till.

Hibbslaboratoriet kunde tidigare erhålla en struktur av ett av de två komplexen med hjälp av röntgenkristallografi, en första vid den tiden på grund av svårigheten att kristallisera membranproteiner.

"För membranproteiner i synnerhet, att få fram kristaller som diffrakterar till hög upplösning är utmanande, vilket gör cryo-EM extra kraftfullt. Vi kunde tidigare erhålla en av dessa nikotinreceptorsubenhetsarrangemang genom röntgenkristallografi. Cryo-EM gav oss båda arrangemangen, från ett enda prov, med högre upplösning, " sa Dr Hibbs.