Forskare vid Vanderbilt University har upptäckt hur en proteinpump skiljer mellan kemikalier som den kommer att utvisa från en cell och hämmare som blockerar dess verkan.

Pumpen, kallas P-glykoprotein, skyddar celler genom att ta bort potentiellt skadliga kemikalier, men det bidrar till läkemedelsresistens när dessa kemikalier är terapeutiska läkemedel - vilket utgör ett särskilt problem för cancerbehandling. De nya fynden, rapporteras i tidningen Vetenskap , kan vägleda utvecklingen av mer effektiva hämmare för att förhindra cancercellsresistens mot kemoterapi.

Studierna besvarade en långvarig fråga om P-glykoprotein, sa Hassane Mchaourab, Ph.D., Louise B. McGavock Professor i molekylär fysiologi och biofysik.

Mchaourab beskriver P-glykoprotein som en tvådelad molekylär maskin:en motor som bränner ATP och en transmembrandomän som ger en passage för substratet (en molekyl som rörs av transportören). ATP -energi som utnyttjas av motorn driver de konformationsförändringar som flyttar kemikalier ur cellerna.

Vad som inte var klart är "hur ATP -motorn vet att en kemikalie är bunden i transmembrandomänen som är en molekylär" mil "bort, "Sa Mchaourab.

"I människor, denna transportör spottar ut kemikalier som innehåller antibiotika, kemoterapimedicin mot cancer, antidepressiva medel, opioider ... vad gör en molekyl till ett substrat för denna anmärkningsvärt mångsidiga pump, och vad gör en molekyl till en hämmare? "

De aktuella studierna följer resultat som Mchaourab och hans kollegor rapporterade i tidningen Natur två år sedan. P-glykoprotein har två ATP-brinnande platser, och forskarna upptäckte med hjälp av en spektroskopimetod (dubbel elektron-elektronresonans, DEER) att de två platserna är strukturellt asymmetriska - först en plats och sedan den andra platsen bränner ATP. De fann också att de två sekventiella stegen är relaterade till substratigenkänning.

Mchaourab kommer ihåg vetenskapsförfattaren Bill Snyder från Vanderbilt University Medical Center som ställde en fråga som gav honom en paus - varför skulle naturen utforma en asymmetrisk motor?

"Jag svarade att det kanske är så transportören vet om den är laddad med substrat eller inte, "Mchaourab sa." Men vi hade gjort alla våra experiment med närvarande substrat-för det är så transportören fungerar. "Forskarna hade inte undersökt strukturen för ATP-brinnande platser i avsaknad av substrat.

"Det var en fredag, och jag vaknade den natten och tänkte på Bills fråga, "Mchaourab återkallade." På måndagen, Jag bad Reza (en postdoktor) om att upprepa experimenten och ta bort substratet. Och voila, motorn blev symmetrisk - det spelade ingen roll vilken sida som först brände ATP. "

I ytterligare studier med P-glykoprotein tredje generationens hämmare, forskarna fann att dessa hämmare också stabiliserar ett symmetriskt tillstånd, men en som skiljer sig från det tomma tillståndet.

"En hämmare binder upp transportören så att den inte kan gå till det asymmetriska tillståndet och inte kan utföra kraftslaget-steget vid vilket transportören rör sig från det vi kallar inåtvänd till utåtvänd och spottar ut substrat, "Sa Mchaourab.

Att känna till de olika konformationerna för P-glykoprotein som stabiliseras av substrat kontra hämmare gör det möjligt att screena efter effektivare hämmarmolekyler. Det kan också hjälpa forskare att förstå varför befintliga hämmare fungerade dåligt i kliniska prövningar.

"P-glykoprotein är ett så viktigt kliniskt mål, "Mchaourab sa." Nu inser vi att hämmare också fungerar på motorns asymmetri. P-glykoprotein vet om det är tomt, eller om den är bunden till ett substrat eller en hämmare genom att modulera nivån på asymmetri. "