В МФТИ изучили конформации аденозинового рецептора

Трансмембранные рецепторы, сопряженные с G-белком, или семиспиральные белки (GPCR, G-protein-coupled receptors) — самое большое надсемейство белков; их известно более 800. В организме человека они опосредуют важнейшие физиологические процессы, от передачи нервных импульсов и воспаления до восприятия запаха и вкуса и зрительной рецепции. Сигнальные пути, в которых они участвуют, связаны с множеством заболеваний, и значительная доля лекарств, имеющихся на рынке, взаимодействует именно с GPCR.

Есть много данных в пользу того, что GPCR работают не только в режиме «вкл-выкл». Они способны проявлять «фоновую» активность в отсутствие лиганда, которую может подавить обратный агонист. Различные агонисты стимулируют активность рецептора в разной степени. Кроме того, один и тот же рецептор может передавать сигналы по различным внутриклеточным путям. Это говорит о том, что GPCR имеют несколько относительно стабильных активных и неактивных состояний.

Один из самых удобных для исследования GPCR — аденозиновый рецептор A_2AAR. Аденозиновые рецепторы широко известны как молекулярные мишени кофеина. A_2AAR регулирует тонус сердечно-сосудистой системы, расширяя сосуды; способствует заживлению воспалительных повреждений за счет подавления активности иммунных клеток; модулирует нейротрансмиссию дофамина и глутамата в мозге. Уже получены кристаллографические структуры этого рецептора в комплексе с агонистами, однако статические структуры предоставляют информацию только о низкоэнергетических состояниях. Современная картина конформационной динамики A_2AAR сложная и противоречива.

Биофизики из Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ изучили изменение конформации аденозинового рецептора с помощью метода FRET (Förster Resonance Energy Transfer). Два участка рецептора пометили флуоресцирующими метками, синей и красной, яркость свечения которых зависит от расстояния между ними. Метки пришивали к мутантным остаткам цистеина, заменившим два других аминокислотных остатка. (Авторы проверили, что рецептор с такими заменами сохраняет функциональность.) В подвижной молекуле GPCR расстояние между метками изменяется, поэтому меняется и цвет, который создают метки: в более «синих» молекулах метки дальше друг от друга, а в более «красных» — ближе.

Наблюдая за изменениями цвета с помощью сверхчувствительного оптического микроскопа, исследователи проследили переключение белка между несколькими состояниями и измерили продолжительность нахождения белка в каждом из них с субмиллисекундным разрешением. Это позволило определить, как на конформационную динамику GPCR влияет взаимодействие с лигандами.

«В этой работе мы не только исследовали динамику аденозинового рецептора, но и продемонстрировали, что метод ее изучения можно применять к GPCR. Ранее не удавалось исследовать семиспиральные белки методом FRET на уровне одиночных молекул. Данный подход позволяет исследовать белок в условиях, максимально близких к природным, и получать крайне важные данные для понимания взаимодействия белка с активными веществами. Благодаря знаниям о состояниях GPCR можно быстро разрабатывать и тестировать новые лекарства от болезней, вызываемых нарушением работы белков. В частности, рецептор, который мы исследовали в работе, является многообещающей мишенью для лекарств от бессонницы, депрессии и болезни Паркинсона», — рассказывает Валентин Борщевский, заместитель директора Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.

Авторы построили полную биофизическую модель активации белка, отражающую его функциональную конформационную динамику, отмечается в пресс-релизе МФТИ. Это никогда раньше не делалось на уровне одной молекулы для данного рецептора или другого GPCR.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и Российского научного фонда (проект № 22-74-10036).