МОЛЕКУЛЯРНЫЕ КЛЮЧИ К ИНФОРМАЦИОННЫМ ВРАТАМ КЛЕТКИ
Доктор биологических наук Александр ШПАКОВ, заведующий лабораторией молекулярной эндокринологии Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН _(Санкт-Петербург)_
Важнейшее условие функционирования живой клетки — адекватное восприятие управляющих ее работой внешних сигналов: гормонов и ростовых факторов. Большинство из них специфично взаимодействуют с располагающимися в плазматической мембране рецепторами серпантинного типа,
которые для передачи сигнала внутрь клетки используют ГТФ-связывающие белки. Разгадка действия этих сложнейших природных механизмов очень трудна, достигается ценой огромных интеллектуальных усилий, а потому высоко оценивается мировым научным сообществом. За последние 20 лет открытия в данной области отмечены четырьмя Нобелевскими премиями.
Результаты этих прорывных исследований важны не только для расширения границ познания. Дело в том, что сопряженные с ГТФ-связывающими белками рецепторы
служат мишенями для 40% применяемых в настоящее время лекарственных препаратов и не случайно находятся в центре внимания фармакологов и медиков. Последние годы ознаменовались появлением и внедрением революционных технологий для поиска и разработки высокоизбирательных регуляторов таких рецепторов, что кардинально меняет подходы к лечению многих заболеваний, а в итоге — и фармацевтический рынок.
Цикл активации гормоном рецептора серпантинного типа и сопряженного с ним G-белка. 1 — гормон подходит к рецептору, ассоциированному с G-белком; 2 — гормон связывается с лигандсвязывающим сайтом рецептора;
3 — меняется конформация
рецептора и G-белка, вследствие чего сродство G-белка к гуанозиндифосфату (GDP) снижается;
4 — происходит замена GDP на гуанозинтрифосфат (GTP)
в а-субъединице G-белка; 5 — a-субъединица диссоциирует от Ру-комплекса и по отдельности они активируют нижележащие сигнальные каскады; 6 — а-субъединица разрушает GTP до GDP, что приводит к ее ассоциации с Ру-комплексом.
РЕЦЕПТОРЫ, ПОХОЖИЕ НА СЕРПАНТИН
Ни один из биохимических и физиологических процессов в организме человека и животных не может протекать бесконтрольно. Функцию их дистанционных регуляторов выполняют высокоспециализированные сигнальные молекулы. Как уже сказано, это гормоны и ростовые факторы. Они с высокой специфичностью связываются с белками-рецепторами на поверхности клетки. Рецепторы — ее «информационные врата», именно через них осуществляется регуляция транскрипционных факторов, подавляющих или, напротив, усиливающих экспрессию генов. Таким образом они контролируют все жизненно важные клеточные процессы — метаболизм, рост, дифференцировку, движение.
Между рецептором, расположенным в начале сигнального пути, и транскрипционными факторами, находящимися в его конечной точке, в непосредственном контакте с генами, присутствует много специализированных белков, которые обрабатывают сигнал, преобразуют и усиливают его. Любые нарушения в работе сигнального каскада искажают ответ клетки на внешние управляющие сигналы, что в масштабах всего организма приводит к заболеваниям эндокринной, нервной, сердечно-сосудистой и других систем, развитию злокачественных опухолей и аутоиммунных патологий. Неудивительно, что изучение молекулярных механизмов функционирования гормональных систем и поиск новых подходов для их регуляции и коррекции — одна из самых актуальных проблем современной биологии и медицины.
В настоящее время известно много разновидностей гормональных рецепторов, но ведущее место среди них, несомненно, принадлежит рецепторам серпантинного типа, у человека их насчитывается более 1300. Своими извивами они действительно напоминают серпантин. Их важная отличительная особенность — наличие семи гидрофобных участков, пронизывающих плазматическую мембрану и образующих в ней подобие канала, во внутренней полости которого находится святая святых рецептора — сайт (участок) для специфичного связывания гормона. Конструкция сравнима с замочной скважиной, к которой, как ключ к замку, подходит только один гормон. Опознав «родной» сигнал, рецептор шлет его в глубь клетки. И здесь проявляется другая характерная его черта — взаимодействие с расположенными на внутренней стороне мембраны ГТФ*-связывающими белками (сокращенно G-белками), состоящими из субъединиц трех типов — а, Р, у.
G-белки, за открытие которых американские ученые Мартин Родбелл и Альфред Гилман получили в 1994 г Нобелевскую премию по физиологии и медицине, служат главным связующим звеном между рецепторами и нижележащими сигнальными каскадами. В неактивном состоянии а-субъединица G-белка содержит нук-леотид гуанозиндифосфат и образует прочный «союз» с Ру-комплексом. При активации рецептора гормоном структура G-белка меняется, что ведет к замене в
*Гуанозинтрифосфат (ГТФ) — нуклеотид, служащий субстратом для синтеза РНК в процессе транскрипции; источник энергии в биосинтезе белка (прим. ред.).
а-субъединице гуанозиндифосфата на гуанозинтри-фосфат и вызывает ее диссоциацию от Ру-комплекса. «Окрыленные ветром свободы» а-субъединица и Ру-комплекс передают сигнал на внутриклеточные эффекторные белки, обеспечивающие функциональный ответ клетки на гормональное воздействие. Однако состояние свободы сиюминутно — а-субъединица разрушает гуанозинтрифосфат, снова воссоединяется с Ру-комплексом, что возвращает всю систему восприятия сигнала в исходное неактивное состояние.
Неразрывная связь между рецепторами серпантинного типа и G-белками, обнаруженная еще в 1980-е годы, легла в основу общепринятого для них названия — сопряженные с G-белками рецепторы (GPCR — G protein-coupled receptors). Однако следует отметить, что совсем недавно были обнаружены рецепторы серпантинного типа, передающие гормональный сигнал без участия G-белков, что ставит под сомнение справедливость названия GPCR.
РЕВОЛЮЦИОННАЯ ОСНОВА ПОИСКА ЛЕКАРСТВ
Каждый гормон подходит к рецептору действительно как ключ к замку. С высокой специфичностью он взаимодействует с лигандсвязывающим*
*Лиганд — атом, ион или молекула, связанные с неким центром (акцептором). В биохимии это понятие применяется для обозначения агентов, соединяющихся с биологическими акцепторами, в частности рецепторами (прим. ред.).
Пространственная структура GPCR. Указаны внеклеточные петли, семь трансмембранных участков и внутриклеточные петли рецептора.
сайтом рецептора, располагающимся в его трансмембранном канале. Однако такая избирательность связывания вовсе не обеспечивает высокую специфичность ответа. Во-первых, для одного гормона, как правило, имеются несколько типов рецепторов, и каждый из них регулирует разные сигнальные каскады, порой противоположные по конечному ответу клетки. Так, например, важнейший нейрогормон серотонин избирательно связывается с 18 подтипами серотониновых рецепторов, которые расположены в различных органах и тканях и регулируют множество биохимических и физиологических процессов. Во-вторых, даже тогда, когда для одного гормона имеется только один рецептор, на этапе взаимодействия первого с О-белками может происходить сложное ветвление и размежевание сигнальных каскадов. Причина в том, что ОРСЯ, как правило, взаимодействуют не с одним, а с несколькими типами О-бел-ков, каждый из которых связывает рецептор с вполне определенным сигнальным путем.
Все это указывает на сложные и порой трудноразрешимые проблемы, встающие перед исследователями в процессе разработки селективных регуляторов ОРСЯ. Актуальность этих поисков определяется тем, что сопряженные с О-белками рецепторы являются мишенями, как упоминалось, для 40% всех используемых в настоящее время лекарственных препаратов. В последние годы достигнуты впечатляющие успехи в поиске не только высокоселективных ОРСЯ-лиган-дов, но и принципиально новых подходов к их созданию. Большую роль в этом сыграли выдающиеся работы американских ученых Роберта Лефковица и Брайана Кобилки, удостоенных в 2012 г. Нобелевской премии по химии за прорывные исследования в области ОРСЯ. Важнейшим их достижением стало открытие в 2007 г. трехмерной структуры р-адренергического рецептора (он входит в семейство ОРСЯ) в его естественном окружении в плазматической мембране. Для этого рецептор сначала перевели в кристаллическую форму, а затем подвергли рентгеноструктурному анализу. Таким образом, с высокой точностью определили конфигурацию его лигандсвязывающего сайта, что позволило предсказывать химическую структуру соединений, специфично с ним взаимодействующих. В 2008—2014 гг. трехмерная структура была установлена еще для полутора десятков сопряженных с О-белками рецепторов. Удалось выработать критерии для создания ОРСЯ-лигандов с требуемой активностью. В числе последних полные агонисты (активирующие ОРСЯ), инверсионные агонисты (снижающие активность ОРСЯ и подавляющие эффекты полных агони-стов) и нейтральные антагонисты (препятствующие связыванию ОРСЯ с агонистами).
Если раньше для обнаружения одного искомого лиганда, даже при использовании подходов молеку-
Иллюстрация того, как с помощью базовой основы скрининга лекарств ведется поиск новых агонистов и антагонистов GPCR. В компьютерной модели выбранное химическое вещество встраивается в лигандсвязывающий карман рецептора, имеющего точно установленную пространственную структуру. Рассчитывается, насколько эффективно тестируемое соединение взаимодействует с рецептором. Перспективное вещество синтезируется и подвергается биологическому тестированию.
лярного моделирования, требовалось перебрать сотни и тысячи соединений, а зачастую поиск проводился вслепую и включал скрининг сотен тысяч веществ, то после расшифровки пространственной структуры GPCR эффективность этого процесса возросла на порядки. Более того, если в прежние годы главенствовал принцип: нашли активное вещество, затем изучали его аналоги, лишь немного меняя структуру, то с использованием новой стратегии, которую назвали «Structure-based drug screening» («базовой основой скрининга лекарств»), можно разрабатывать GPCR-лиганды с совершенно новой химической структурой. И полученные здесь результаты почти фантастические
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.