En tredimensionell struktur av typ A GABA-receptor bunden med GABA och propofol inbäddad i ett cellmembran. Propofol är det vanligaste intravenösa anestetikumet och verkar genom receptorn. Receptorn är färgad i grönt, blå, och gul för särskiljning av olika underenheter. Den bundna propofolen i transmembrandomänen färgas i lax vid subenhetsgränssnittet. Fosfolipiderna som utgör cellmembranet är färgade grå med deras fosfathuvudgrupp färgad i rött och orange. Kredit:UT Southwestern Medical Center
När du glider in i medvetslöshet innan en operation, allmänna anestesimedel som flödar genom ditt blod får dig att sova genom att huvudsakligen binda till ett protein i hjärnan som kallas γ-aminosmörsyra typ A (GABA) A ) receptor. Nu har forskare från UT Southwestern visat exakt hur anestetika fäster vid GABA A receptor och ändra dess tredimensionella struktur, och hur hjärnan kan se skillnaden mellan bedövningsmedel och de psykoaktiva drogerna som kallas bensodiazepiner – som också binder till GABA A receptor. Resultaten publicerades online idag i tidskriften Natur .
"Anestetika är fortfarande en av de mest kliniskt viktiga, ändå mystisk, klasser av droger, " säger studieledare Ryan Hibbs, Ph.D., en docent i neurovetenskap och biofysik vid UTSW och senior författare till den nya artikeln. "Vi gick in i den här studien drivna av nyfikenhet på hur generell anestesi fungerar - och nu är vi ett stort steg närmare att svara på den frågan."
Allmän anestesi, som kan inhaleras eller administreras intravenöst, försätta människor i sömn, immobiliserat tillstånd. Även om intravenösa anestetika har använts sedan 1930-talet, det var inte förrän runt 2000-talet som forskare upptäckte att drogerna verkar på GABA A receptor i hjärnan.
GABA A receptor är en jonkanal; när det är i en öppen konformation, det låter kloridjoner flöda igenom. Denna rörelse av joner minskar signaleringen av hjärnceller, lugnande hjärnaktivitet. Så stimulerande GABA A receptor - som bedövningsmedel, bensodiazepiner, alkohol, mot anfall, och vissa sömnmediciner gör det – tystar hjärnan på en mängd olika sätt.
Under 2018, Hibbs labbgrupp detaljerade den första atomstrukturen någonsin av GABA A receptor. I den nya studien, Hibbs och hans kollegor tittade igen på strukturen av receptorn i en miljö som närmare efterliknar cellen, och den här gången medan den bands av en av tre olika bedövningsmedel - fenobarbital, etomidate, och propofol – såväl som bensodiazepinläkemedlet diazepam, eller valium, som används för att behandla ångestsyndrom, och läkemedlet flumazenil, som kan behandla bensodiazepinöverdoser.
"Vad vi hittade är att GABA A receptorn är särskilt känslig för sin omgivande miljö, " säger Jeong Joo Kim, Ph.D., en UTSW-postdoktor och första författare till studien. "Den har förmågan att ändra konformation på olika sätt baserat på bindningen av många olika läkemedel."
Drs. Ryan Hibbs och Jeong Joo Kim förbereder prover för sina experiment med kryoelektronmikroskopi. Kredit:UT Southwestern Medical Center
Teamet upptäckte att både allmänna anestetika och diazepam kunde binda till flera ställen på GABA A molekyl. En plats - kallad "bensoplatsen" i tidigare forskning - var unik för diazepam. Men en annan sida överlappade de två läkemedelstyperna. När diazepam fanns i tillräckligt höga doser, det band till denna plats som oftare användes av bedövningsmedel. Denna observation kan förklara varför höga doser av bensodiazepiner som diazepam kan ha anestesiliknande effekter. Forskarna fann också skillnader mellan de allmänna anestetika; fenobarbital, till exempel, bunden till en plats på GABA A att varken etomidate eller propofol fäste, och verkade vara mindre kräsen när det gällde var det gränsade.
Nyanserna mellan hur och var varje läkemedel binder till GABA A receptor ökar möjligheten att konstruera nya läkemedel som kan vara mer selektiva för vissa effekter på hjärnan eller ha färre biverkningar.
"Det faktum att det finns skillnader i bindningsställena ger oss ett visst hopp om att vi kanske kan skapa mer specifika molekyler som binder till endast en plats på GABA. A receptor, " säger Hibbs, en Effie Marie Cain-stipendiat i medicinsk forskning. "Detta är nu en startpunkt för upptäckten av förbättrade, mer selektiva bedövningsmedel."
Förutom observationerna om exakt vilken del av GABA A receptor läkemedlet bundna till, forskarna studerade också hur konformationen av resten av GABA A molekylen var olika som svar på varje läkemedel. Bedövningsmedel, de hittade, stabiliserade en version av GABA A receptor som öppnade – för att släppa igenom joner – mycket lättare än vanligt. Detta leder till den dramatiska lugnande av hjärnan som krävs för allmän anestesi. Diazepam stabiliserade en receptorstruktur som var mellanliggande - kanalen öppnades lättare än normalt, men var inte lika öppen som med bedövningen. En sådan mellanstruktur tillåter sannolikt några av fördelarna med lägre dos bensodiazepiner för att behandla ångest, epilepsi, och sömnlöshet utan att orsaka medvetslöshet.
Hibbs och hans labb planerar att genomföra liknande strukturella studier för andra läkemedel som är kända för att binda till GABA A , inklusive Ambien (zolpidem) och en klass av neurosteroider som används för att behandla epilepsi.
"Detta är bara en grund, " säger han. "Genom att fortsätta att studera andra klasser av läkemedel som interagerar med denna receptor, vi kan få en ännu mer komplett tredimensionell ritning av GABA A receptorn och dess farmakologi." Den insikten, han lägger till, kan hjälpa till att belysa inte bara hur vi kan justera aktiviteten hos GABA A receptor för medicinska vinster, men utforska själva naturen av mänskligt medvetande.
