Salk-Wissenschaftler lösen Rätsel um wichtiges Angriffsziel für Medikamente

Salk-Wissenschaftler lösen Rätsel um wichtiges Angriffsziel für Medikamente

Neue Methode zur Bestimmung der Struktur wichtiger zellulärer Rezeptoren könnte die Entwicklung von Medikamenten beschleunigen

LA JOLLA, CA – Ein neuer Ansatz zur Kartierung der Interaktion von Proteinen untereinander, der am Salk Institute for Biological Studies entwickelt wurde, könnte bei der Entwicklung neuer Medikamente gegen Krankheiten wie helfen Diabetes und Osteoporose. Durch die Umgestaltung von Proteinen mithilfe künstlicher Aminosäuren bestimmen die Salk-Wissenschaftler die detaillierte Molekülstruktur einer Zelle
Schalter und sein Ligand, das Molekül, das ihn einschaltet. Der Schalter – Corticotropin-Releasing-Faktor Typ 1
(CRF1R) – gehört zu einer Klasse zellulärer Rezeptoren, deren Strukturen bekanntermaßen schwer zu bestimmen sind. Diese Rezeptoren regulieren Prozesse im gesamten Körper und sind an vielen Krankheiten beteiligt.

„Nur wenn man weiß, wie der Ligand an den Rezeptor bindet, kann man Medikamente entwickeln, die auf diese Prozesse abzielen“, sagt der leitende Studienautor Lee Wang, außerordentlicher Professor bei Salk's Jack H. Skirball Zentrum für chemische Biologie und Proteomik und Inhaber des Frederick B. Rentschler Developmental Chair. Wang und sein Team beschreiben die neue Struktur und Methode in einem Zelle Artikel online veröffentlicht am 27. November 2013.

Typischerweise bestimmen Forscher die dreidimensionale Anordnung der Atome in einem Proteinmolekül, indem sie das Protein kristallisieren und messen, wie Röntgenstrahlen an den Kristallen gebeugt werden. Aber die Rezeptorklasse der Salk-Wissenschaftler

Die untersuchten Moleküle, sogenannte Klasse-B-G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs), lassen sich nur schwer in Kristallform bringen, da sie nur dann stabil sind, wenn sie in die Zellmembranen eingebettet sind, die das Zytoplasma und den Zellkern einer Zelle umschließen. Daher war es nicht möglich, ein vollständiges Bild ihrer Struktur zu erhalten – ganz zu schweigen von der Struktur des Rezeptors in Kombination mit seinem gebundenen Liganden.

Wangs Team wandte sich einem neuen Ansatz zu, um herauszufinden, wie die Bindungstasche von CRF1R – der Bereich, in dem der Ligand anhaftet – aussah. Mittels Gentechnik fügten die Wissenschaftler den Flecken entlang des CRF1R eine einzigartige neue Aminosäure hinzu, einen der Bausteine ​​von Proteinen.

„Wenn man Licht auf diese künstliche Aminosäure richtet, fängt sie Moleküle in der Nähe ein“, erklärt Irene Coin, Postdoktorandin in Wangs Team. „Es ist wie eine klebrige Hand.“

Als die künstliche Aminosäure Azi an einer Stelle hinzugefügt wurde, an der der CFR1R-Ligand an den Rezeptor gebunden war, ergriff die klebrige Hand den Liganden, ein Molekül namens Urocortin-1, und hielt ihn an den Rezeptor gebunden. Wenn Azi jedoch an einer Stelle integriert würde, an der Urocortin-1 nicht assoziiert, hätte es nichts zu greifen. Durch die Feststellung, ob CFR1R und Urocortin-1 irreversibel gebunden werden, würden die Forscher wissen, ob das Azi in einen Teil der Bindungstasche integriert wurde oder nicht.

Die Wiederholung dieser Technik im gesamten CFR1R-Molekül ergab, dass die Bindungstasche des Rezeptors aus mindestens 35 Aminosäuren bestand. Aber das lieferte den Forschern nicht das vollständige Bild der Interaktion, das sie sich gewünscht hatten.

„Diese erste klebrige Handsonde hatte uns Informationen über die Form der Bindungstasche gegeben“, sagt Wang. „Aber wir wussten immer noch nicht, wie der Ligand in dieser Tasche ausgerichtet ist.“

Deshalb verwendeten sie eine zweite Sonde – eine, die selektiver war als die „klebrige Hand“ im Rezeptor. Diesmal würde die Sonde nur eine bestimmte Aminosäure einfangen – Cystein. „Wir haben entlang des Liganden Cysteine ​​eingefügt, um herauszufinden, welche Teile des Rezeptors sich in der Nähe bestimmter Stellen des Liganden befinden“, sagt Wang. Es waren mehr als hundert verschiedene Kombinationen erforderlich, um eine perfekte Übereinstimmung zu erzielen, bei der die künstlichen Aminosäuren im Rezeptor mit den Cysteinen im Urocortin-1 ausgerichtet waren.

„Wir haben herausgefunden, dass der Ligand in der Bindungstasche des Rezeptors liegt wie eine zu große Person in einer Badewanne“, sagt Coin. „Ein Ende des Liganden ist wie ein herausstehender Kopf, und am anderen Ende baumeln die Füße heraus.“

„Diese Form macht angesichts früherer Daten Sinn“, sagt Wang. „Weil wir bereits wussten, dass man viele Moleküle an den Füßen des Liganden anbringen kann, ohne dass dies die Rezeptor-Ligand-Wechselwirkung beeinträchtigt.“

Wenn sie wissen, welche Aminosäuren in einem Liganden mit welchen Aminosäuren in einem Rezeptor interagieren, können Wissenschaftler damit beginnen, Wege zu entwickeln, um die Interaktion zwischen dem Paar zu blockieren, indem sie beispielsweise neue Moleküle schaffen, die sich an den Rezeptor binden. Daher sieht Wang die neue Struktur – und den neuen Ansatz zu ihrer Bestimmung – als einen wichtigen Schritt vorwärts bei der Entwicklung von Arzneimitteln, die auf GPCRs der Klasse B abzielen.

„Das Schöne an dieser Methode ist, dass sie eine allgemeine Methode sein kann, um auch andere Bindungstaschen und Proteininteraktionen abzubilden“, fügt Wang hinzu. „Seine Verwendung ist nicht nur auf GPCRs beschränkt.“

Weitere Forscher an der Arbeit waren Tingting Sun und Zheng Xiang vom Salk Institute, Vsevolod Katritch, Fai Yiu Siu und Raymond C. Stevens vom Scripps Research Institute sowie Michael Beyermann vom Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie.

Die Arbeit wurde durch Zuschüsse der gefördert National Institutes of Health, hat das Kalifornisches Institut für Regenerative Medizin und ein Marie-Curie-Stipendium der Europäischen Kommission.

Über das Salk Institute for Biological Studies:

Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.