Sondas (mostradas brilhando aqui) revelaram a arquitetura interna da proteína A2aAR no novo estudo. Crédito:Kurt Wuthrich e Matthew Eddy, O Scripps Research Institute
Cientistas do The Scripps Research Institute (TSRI) investigaram profundamente o coração de uma proteína-chave usada no design de medicamentos e descobriram características estruturais dinâmicas que podem levar a novas maneiras de combater doenças. A proteína, chamado de A 2A receptor de adenosina (A 2a AR), é um membro da família do receptor acoplado à proteína G (GPCR), que são os alvos de cerca de 40 por cento de todos os produtos farmacêuticos aprovados.
O novo, imagem mais detalhada de A 2a O mecanismo de sinalização do AR revela as principais partes de seu funcionamento interno, incluindo um aminoácido que atua como uma "chave seletora" para controlar a sinalização através da membrana celular.
"Este conhecimento básico é potencialmente útil para melhorar o design de medicamentos, "diz o Prêmio Nobel Kurt Wthrich, PhD, o Cecil H. e Ida M. Green Professor de Biologia Estrutural na TSRI e autor sênior do estudo.
Os resultados foram publicados hoje na revista. Célula .
Técnica de imagem revela como a proteína muda de forma
Todas as células humanas contêm A 2a AR e outros GPCRs embutidos em sua membrana plasmática. Mais de 800 GPCRs foram descobertos no corpo humano, e cada um tem um papel na regulação de uma função corporal. Por exemplo, UMA 2a AR regula o fluxo sanguíneo e a inflamação e medeia os efeitos da cafeína. UMA 2a AR também é um alvo validado para o tratamento da doença de Parkinson e um alvo relativamente novo para direcionar o câncer.
"Os GPCRs fazem quase tudo que você pode imaginar, "diz Wthrich." Mas por um longo tempo, o design de drogas estava sendo feito sem saber como eram os GPCRs. "
Para o novo estudo, os pesquisadores objetivaram compreender melhor a relação entre A 2a Função AR e mudanças dinâmicas em sua estrutura para ajudar a informar o design de medicamentos.
A pesquisa baseou-se em estudos anteriores, onde os cientistas usaram uma técnica de imagem chamada cristalografia de raios-X para determinar A 2a Estrutura tridimensional do AR. As imagens mostraram que A 2a AR se parece com uma corrente que cruza a membrana celular e tem uma abertura no lado voltado para fora da célula. A região da estrutura do GPCR que se projeta para fora da membrana interage com drogas e outras moléculas para sinalizar às proteínas parceiras dentro da célula.
Embora as estruturas cristalinas forneçam um contorno chave da forma do receptor em estados inativos e semelhantes a ativos, eles não podiam mostrar movimento e mudanças na estrutura quando A 2a AR conhece novos parceiros vinculativos, como candidatos farmacêuticos. Resumidamente, os pesquisadores do novo estudo precisaram investigar por que A 2a AR funciona da maneira que funciona.
Para resolver este problema, os pesquisadores usaram uma técnica chamada espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR), que cria campos magnéticos fortes para localizar as posições das sondas em uma amostra. Wthrich é um líder mundialmente conhecido no campo de RMN e ganhou o Prêmio Nobel de Química em 2002 por seu trabalho pioneiro em RMN para estudar as estruturas de moléculas biológicas. Com NMR, os cientistas podem determinar as estruturas das proteínas e estudar suas propriedades dinâmicas em solução em temperaturas fisiológicas - a maneira como existem no corpo humano.
No trabalho liderado por Matthew Eddy da TSRI, PhD, primeiro autor do novo estudo, os pesquisadores usaram NMR para observar A 2a AR em muitas conformações diferentes, lançando luz sobre como ele muda de forma na superfície das células humanas em resposta a tratamentos com drogas.
Mais importante, NMR permite que a equipe visualize as mudanças na arquitetura interna de A 2a AR. Isso os levou além dos estudos de NMR de solução anteriores, que se concentrou na observação tecnicamente menos exigente de sondas observáveis de NMR anexadas a partes flexíveis de GPCRs, principalmente localizado na ou perto da superfície do receptor. A abordagem no novo estudo permitiu aos pesquisadores acompanhar os efeitos da ligação da droga na superfície extracelular nas mudanças na estrutura e dinâmica da proteína na superfície intracelular - a base estrutural da transferência de sinal - através do coração do GPCR.
Foi como se os pesquisadores tivessem visto um carro, e com NMR, eles poderiam finalmente inspecionar seu motor.
Repensando como criamos drogas
Dois detalhes em A 2a A estrutura do AR deu aos pesquisadores uma visão sobre como as drogas futuras poderiam manipular o receptor. Uma descoberta importante foi que a substituição de um determinado aminoácido no centro do receptor destruiu a capacidade do receptor de enviar sinais para a célula.
"Com esta descoberta, podemos dizer 'A-ha! É essa mudança na estrutura que mata a atividade de sinalização. ' Talvez possamos fazer uma mudança em um medicamento para superar esse limite, "diz Wthrich.
Os pesquisadores também revelaram a atividade de uma "chave seletora" em A 2a AR. Estudos anteriores sugeriram que um dos aminoácidos do triptofano em A 2a AR oscila para cima e para baixo em conjunto com A 2a Atividade de AR. Com NMR, os cientistas observaram diretamente este triptofano único conforme ele mudava de orientação em resposta a diferentes drogas. Os químicos podem potencialmente modificar as drogas para manipular esta chave e controlar A 2a Sinalização AR.
Os pesquisadores enfatizam que este novo estudo é potencialmente relevante para grande parte da grande família de GPCRs. Na verdade, os detalhes estruturais deste estudo podem ser aplicados a mais de 600 GPCRs "classe A" em nossos corpos.
In addition to Wthrich and Eddy, authors of the study, "Allosteric Coupling of Drug Binding and Intracellular Signaling in the A 2a Adenosine Receptor, " were Tatiana Didenko and Pawel Stanczak of The Scripps Research Institute; Reto Horst of The Scripps Research Institute and Pfizer Worldwide Research and Development; Zhan-Guo Gao and Kenneth A. Jacobson of the National Institutes of Health; and Ming-Yue Lee, Kyle M. McClary, Gye Won Han, Martin Audet, Kate L. White and Raymond C. Stevens of the University of Southern California.