Ett internationellt team av forskare använde en röntgenlaser vid Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory för att skapa de första detaljerade kartorna över två melatoninreceptorer som berättar för våra kroppar när de ska sova eller vakna och vägleda andra biologiska processer. En bättre förståelse för hur de fungerar kan göra det möjligt för forskare att designa bättre läkemedel för att bekämpa sömnstörningar, cancer och typ 2 -diabetes. Deras resultat publicerades i två artiklar idag Natur .

Laget, ledd av University of Southern California, använde röntgenstrålar från SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) för att kartlägga receptorerna, MT1 och MT2, bunden till fyra olika föreningar som aktiverar receptorerna:ett sömnlöshetläkemedel, ett läkemedel som blandar melatonin med antidepressiva serotonin, och två melatoninanaloger.

De upptäckte att båda melatoninreceptorerna innehåller smala kanaler inbäddade i fettmembranen i cellerna i våra kroppar. Dessa kanaler låter endast melatonin - som kan finnas i både vatten och fett - passera genom, blockerar serotonin, som har en liknande struktur men bara är glad i vattniga miljöer. De avslöjade också hur vissa mycket större föreningar endast kan rikta sig mot MT1 och inte MT2, trots de strukturella likheterna mellan de två receptorerna. Detta bör informera om utformningen av läkemedel som selektivt riktar sig mot MT1, som hittills har varit utmanande.

"Dessa receptorer utför oerhört viktiga funktioner i människokroppen och är viktiga läkemedelsmål av stort intresse för läkemedelsindustrin, sa Linda Johansson, en postdoktor vid USC som ledde strukturarbetet på MT2. "Genom detta arbete kunde vi få en mycket detaljerad förståelse för hur melatonin kan binda till dessa receptorer."

Dags för sängen

Folk gör det, fåglar gör det, fisk gör det. Nästan alla levande varelser i djurriket sover, och av goda skäl.

"Det är kritiskt för hjärnan att vila och bearbeta och lagra minnen som vi har samlat under dagen, "sa medförfattaren Alex Batyuk, en forskare vid SLAC. "Melatonin är hormonet som reglerar våra sömn-vakna cykler. När det är ljus, produktionen av melatonin hämmas, men när mörkret kommer är det signalen för våra hjärnor att sova. "

Melatoninreceptorer tillhör en grupp membranreceptorer som kallas G-proteinkopplade receptorer (GPCR) som reglerar nästan alla fysiologiska och sensoriska processer i människokroppen. MT1 och MT2 finns på många ställen i hela kroppen, inklusive hjärnan, näthinnan, kardiovaskulära systemet, lever, njure, mjälte och tarm ..

Dessa receptorer övervakar våra klockgener, tidtagarna för kroppens inre klocka, eller dygnsrytm. I en perfekt värld, våra interna klockor skulle synkronisera med solens uppgång och nedgång. Men när människor reser över tidszoner, arbeta över natten eller spendera för mycket tid framför skärmar eller andra artificiella källor till blått ljus, dessa tidtagare kastas ur banan.

Styr rytmen

När våra dygnsrytmer störs, det kan leda till psykiatrisk, metabolisk, onkologiska och många andra tillstånd. MT1 spelar i synnerhet en viktig roll för att kontrollera dessa rytmer, men att utforma läkemedel som selektivt kan rikta in sig på denna receptor har visat sig vara svårt. Många människor tar receptfria melatonintillskott för att bekämpa sömnproblem eller ändra sina dygnsrytmer, men effekterna av dessa läkemedel försvinner ofta inom några timmar.

Genom att knäcka ritningarna för dessa receptorer och kartlägga hur ligander binder till och aktiverar dem, forskarna belyste hur andra kan utforma läkemedel som är säkrare, mer effektiv och kapabel att selektivt rikta in varje receptor.

"Sedan upptäckten av melatonin för 60 år sedan, det har varit många landmärkesfynd som ledde till detta ögonblick, "sa Margarita L. Dubocovich, en SUNY framstående professor i farmakologi och toxikologi vid universitetet i Buffalo som var banbrytande för identifiering av funktionella melatoninreceptorer i början av 80 -talet och gav ett yttre perspektiv på denna forskning. "Trots anmärkningsvärda framsteg, upptäckten av selektiva MT1 -läkemedel har förblivit svårfångade för mitt team och forskare runt om i världen. Upplysningen av kristallstrukturerna för MT1- och MT2 -receptorerna öppnar ett spännande nytt kapitel för utveckling av läkemedel för behandling av sömn eller dygnsrytmstörningar som är kända för att orsaka psykiatriska, metabolisk, onkologiska och många andra tillstånd. "

Skörda kristaller

För att kartlägga biomolekyler som proteiner, forskare använder ofta en metod som kallas röntgenkristallografi, spridning av röntgenstrålar från kristalliserade versioner av dessa proteiner och användning av de mönster som detta skapar för att erhålla en tredimensionell struktur. Tills nu, utmaningen med att kartlägga MT1, MT2 och liknande receptorer var hur svårt det var att odla tillräckligt stora kristaller för att få strukturer med hög upplösning.

"Med dessa melatoninreceptorer, vi var verkligen tvungna att gå en extra mil, "sade Benjamin Stauch, som ledde strukturarbetet på MT1. "Många människor hade försökt kristallisera dem utan framgång, så vi var tvungna att vara lite uppfinningsrika. "

En viktig del av denna forskning var den unika metod som forskarna använde för att odla sina kristaller och samla in röntgendiffraktionsdata från dem. För denna forskning, laget uttryckte dessa receptorer i insektsceller och extraherade dem med hjälp av tvättmedel. De muterade dessa receptorer för att stabilisera dem, möjliggör kristallisering. Efter att ha renat receptorerna, de placerade dem i en membranliknande gel, som stöder kristalltillväxt direkt från membranmiljön. Efter erhållande av mikrokristaller suspenderade i denna gel, de använde en speciell injektor för att skapa en smal ström av kristaller som de zappade med röntgenstrålar från LCLS.

"På grund av den lilla kristallstorleken, detta arbete kunde bara utföras på LCLS, "sade Vadim Cherezov, en USC -professor som övervakade båda studierna. "Sådana små kristaller diffrakterar inte bra vid synkrotronkällor eftersom de snabbt drabbas av strålningsskador. Röntgenlasrar kan övervinna strålskadeproblemet genom principen" diffraktion-före-förstörelse "."

Forskarna samlade hundratusentals bilder av de spridda röntgenstrålarna för att ta reda på den tredimensionella strukturen hos dessa receptorer. De testade också effekter av dussintals mutationer för att fördjupa deras förståelse för hur receptorerna fungerar.

Förutom att upptäcka små, grindvakt melatoninkanaler i receptorerna, forskarna kunde kartlägga mutationer av typ 2-diabetes till MT2-receptorn, för första gången att se den exakta platsen för dessa mutationer i receptorn.

Att lägga grunden

I dessa experiment, forskarna tittade bara på föreningar som aktiverar receptorerna, känd som agonister. Att följa upp, de hoppas kunna kartlägga receptorerna bundna till antagonister, som blockerar receptorerna. De hoppas också kunna använda sina tekniker för att undersöka andra GPCR -receptorer i kroppen.

"Som strukturbiolog, det var spännande att se strukturen för dessa receptorer för första gången och analysera dem för att förstå hur dessa receptorer selektivt känner igen sina signalmolekyler, "Sa Cherezov." Vi har känt till dem i årtionden men fram till nu kunde ingen säga hur de faktiskt ser ut. Nu kan vi analysera dem för att förstå hur de känner igen specifika molekyler, som vi hoppas lägger grunden för bättre, mer effektiva läkemedel. "