Никотиновые рецепторы ацетилхолина являются членами более широкого суперсемейства белков, называемых рецепторами Cys-петли, которые функционируют как ионные каналы на поверхности клеток и обнаруживаются в мембранах многих типов клеток. Когда нужная молекула оседает на этих рецепторах, она открывает закрытые каналы, позволяя ионам проникать извне внутрь клетки, чтобы запустить другие клеточные процессы. Никотиновые рецепторы ацетилхолина реагируют на ацетилхолин, молекулу, которую нервные клетки используют для связи друг с другом. Однако они также реагируют на другие молекулы, находящиеся вне организма, такие как никотин, незаменимое питательное вещество холин и токсин, обнаруживаемый на коже ядовитых лягушек-дротиков, называемый эпибатидином.
Эти рецепторы, которые были идентифицированы в нервных, легочных и иммунных клетках, связаны с такими состояниями, как психические заболевания, нейродегенеративные заболевания, рак легких и даже деструктивные иммунные реакции, характерные для COVID-19 и других инфекций.
Исследователи ранее определили структуры некоторых членов суперсемейства Cys-петель, что стало значительным шагом на пути к созданию лекарств, которые подходят для этих ионных каналов, чтобы блокировать или усиливать их функцию.
Однако, по словам руководителей исследования Коллин М. Новиелло, Ph.D., Старший научный сотрудник UTSW и Райан Э. Хиббс, доктор философии.D., Доцент кафедры нейробиологии и биофизики в UTSW, форма или конформация этих каналов не фиксированы. Рецепторы Cys-петли проходят через три основных состояния в течение своего цикла стробирования, которые соответствуют тому, когда они закрыты и ожидают ответа на лиганд или активирующую молекулу (состояние покоя); когда они отреагировали на лиганд и открылись для потока ионов (открытое состояние); или когда они все еще удерживают лиганд, но снова закрылись (десенсибилизированное состояние).
После долгих лет попыток охарактеризовать структуру ключевого никотинового рецептора ацетилхолина, называемого a7, Новиелло и Хиббс получили значительный импульс в 2016 году после того, как UTSW приобрела оборудование для криогенной электронной микроскопии или крио-ЭМ.
Эта технология позволяет ученым делать фотографии биологических молекул с разрешением на атомном уровне. Когда исследователи и их коллеги добавили к a7 шаперонный белок – белок, который помогает поддерживать и защищать другие белки, – это помогло a7 сохранить свою правильную форму.
С помощью этих новых инструментов исследователи изобразили a7 в его различных формах. Поскольку структура a7 динамична, что позволяет ей перемещаться и покачиваться, исследователи добавили различные лиганды, чтобы стабилизировать ее, чтобы крио-ЭМ-изображения не были размытыми из-за движения.
Когда они проанализировали эти изображения, Новиелло, Хиббс и их коллеги обнаружили несколько интересных структурных особенностей, которые помогли объяснить некоторые необычные свойства a7. Например, отрицательно заряженная аминокислота во внутреннем канале a7, кажется, притягивает положительно заряженный кальций из внешних клеток, что объясняет, почему a7 настолько проницаем для кальция.
Кроме того, изогнутая структура на a7, похоже, действует как защелка, открывающая закрытый канал.
Команда говорит, что эти недавно идентифицированные структуры для a7 могут в конечном итоге использоваться в качестве шаблона для фармацевтических компаний для разработки новых лекарств, нацеленных на этот и связанные с ним никотиновые рецепторы ацетилхолина. Они планируют продолжить изучение a7 в различных типах клеток и его взаимодействия с другими молекулами и белками.
«Чем больше мы узнаем об этом важном рецепторе, обнаруженном на стольких различных типах клеток, тем ближе мы подойдем к пониманию того, как он функционирует в физиологии и болезнях», – говорит Хиббс, научный сотрудник Эффи Мари Кейн в области медицинских исследований и член Питера. О’Доннелл-младший. Институт мозга.
Другие исследователи, которые внесли свой вклад в это исследование, включают Ананта Гарпуре, Рико Кабуко, Лию Бакстер и Доминику Борек, все из UTSW; и Нурия Мухтасимова и Стивен М. Сине из Медицинского колледжа клиники Мэйо.
Это исследование финансировалось грантами Национального института здравоохранения (U24GM129547, NS120496, NS077983, NS095899, NS94124) и Друзьями Центра болезни Альцгеймера.