Uma equipe internacional de pesquisadores usou um laser de raios-X no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia para criar os primeiros mapas detalhados de dois receptores de melatonina que dizem aos nossos corpos quando adormecer ou acordar e orientar outros processos biológicos. Uma melhor compreensão de como eles funcionam pode permitir aos pesquisadores desenvolver melhores drogas para combater os distúrbios do sono, câncer e diabetes tipo 2. Suas descobertas foram publicadas em dois artigos hoje em Natureza .

O time, liderado pela University of Southern California, usaram raios-X da Linac Coherent Light Source (LCLS) para mapear os receptores, MT1 e MT2, ligado a quatro compostos diferentes que ativam os receptores:um medicamento para insônia, uma droga que mistura melatonina com o antidepressivo serotonina, e dois análogos da melatonina.

Eles descobriram que ambos os receptores de melatonina contêm canais estreitos embutidos nas membranas gordurosas das células em nossos corpos. Esses canais permitem apenas que a melatonina - que pode existir tanto na água quanto na gordura - passe, bloqueando a serotonina, que tem uma estrutura semelhante, mas só fica feliz em ambientes aquáticos. Eles também descobriram como alguns compostos muito maiores podem ter como alvo apenas MT1 e não MT2, apesar das semelhanças estruturais entre os dois receptores. Isso deve informar o projeto de medicamentos que visam seletivamente o MT1, que até agora tem sido um desafio.

"Esses receptores desempenham funções extremamente importantes no corpo humano e são os principais alvos de drogas de grande interesse para a indústria farmacêutica, "disse Linda Johansson, um bolsista de pós-doutorado na USC que liderou o trabalho estrutural no MT2. "Através deste trabalho, fomos capazes de obter uma compreensão altamente detalhada de como a melatonina é capaz de se ligar a esses receptores."

Hora de dormir

As pessoas fazem isso, pássaros fazem isso, peixes fazem isso. Quase todos os seres vivos do reino animal dormem, e por um bom motivo.

"É fundamental para o cérebro descansar, processar e armazenar as memórias que acumulamos durante o dia, "disse o co-autor Alex Batyuk, um cientista do SLAC. "A melatonina é o hormônio que regula nossos ciclos de sono-vigília. Quando há luz, a produção de melatonina é inibida, mas quando chega a escuridão, esse é o sinal para o nosso cérebro dormir. "

Os receptores de melatonina pertencem a um grupo de receptores de membrana chamados receptores acoplados à proteína G (GPCRs), que regulam quase todos os processos fisiológicos e sensoriais do corpo humano. MT1 e MT2 são encontrados em muitos lugares por todo o corpo, incluindo o cérebro, retina, sistema cardiovascular, fígado, rim, baço e intestino ..

Esses receptores supervisionam nossos genes de relógio, os cronometristas do relógio interno do corpo, ou ritmo circadiano. Em um mundo perfeito, nossos relógios internos sincronizariam com o nascer e o pôr do sol. Mas quando as pessoas viajam em diferentes fusos horários, trabalhar em turnos noturnos ou passar muito tempo na frente de telas ou outras fontes artificiais de luz azul, esses cronometristas estão fora de sintonia.

Controlando o ritmo

Quando nossos ritmos circadianos são interrompidos, pode levar a doenças psiquiátricas, metabólico, oncológicas e muitas outras condições. O MT1, em particular, desempenha um papel importante no controle desses ritmos, mas o desenvolvimento de drogas que possam ter como alvo seletivo esse receptor tem se mostrado difícil. Muitas pessoas tomam suplementos de melatonina sem receita para combater problemas de sono ou mudar seus ritmos circadianos, mas os efeitos dessas drogas geralmente desaparecem em poucas horas.

Ao decifrar os projetos desses receptores e mapear como os ligantes se ligam a eles e os ativam, os pesquisadores abriram caminho para que outros desenvolvessem drogas mais seguras, mais eficaz e capaz de direcionar seletivamente cada receptor.

"Desde a descoberta da melatonina há 60 anos, houve muitas descobertas marcantes que levaram a este momento, "disse Margarita L. Dubocovich, um distinto professor de farmacologia e toxicologia da SUNY na Universidade de Buffalo, que foi o pioneiro na identificação de receptores funcionais de melatonina no início dos anos 80 e forneceu uma perspectiva externa sobre essa pesquisa. "Apesar do progresso notável, a descoberta de drogas seletivas para MT1 permaneceu ilusória para minha equipe e pesquisadores em todo o mundo. A elucidação das estruturas cristalinas para os receptores MT1 e MT2 abre um novo capítulo emocionante para o desenvolvimento de drogas para tratar distúrbios do sono ou do ritmo circadiano conhecidos por causar psiquiatria, metabólico, oncológicas e muitas outras condições. "

Colhendo cristais

Para mapear biomoléculas como proteínas, pesquisadores costumam usar um método chamado cristalografia de raios-X, espalhar raios-X de versões cristalizadas dessas proteínas e usar os padrões que isso cria para obter uma estrutura tridimensional. Até agora, o desafio de mapear MT1, O MT2 e receptores semelhantes demonstraram a dificuldade de desenvolver cristais grandes o suficiente para obter estruturas de alta resolução.

"Com esses receptores de melatonina, realmente tivemos que ir além, "disse Benjamin Stauch, que liderou o trabalho estrutural no MT1. "Muitas pessoas tentaram cristalizá-los sem sucesso, então tivemos que ser um pouco criativos. "

Uma peça-chave dessa pesquisa foi o método exclusivo que os pesquisadores usaram para fazer crescer seus cristais e coletar dados de difração de raios-X deles. Para esta pesquisa, a equipe expressou esses receptores em células de insetos e os extraiu usando detergente. Eles transformaram esses receptores para estabilizá-los, permitindo a cristalização. Depois de purificar os receptores, eles os colocaram em um gel semelhante a uma membrana, que suporta o crescimento do cristal diretamente do ambiente da membrana. Após a obtenção de microcristais suspensos neste gel, eles usaram um injetor especial para criar um fluxo estreito de cristais que dispararam com raios-X do LCLS.

"Por causa do pequeno tamanho do cristal, este trabalho só poderia ser feito no LCLS, "disse Vadim Cherezov, um professor da USC que orientou os dois estudos. "Esses pequenos cristais não difratam bem em fontes síncrotron, pois sofrem rapidamente com os danos da radiação. Os lasers de raios-X podem superar o problema dos danos da radiação através do princípio da 'difração antes da destruição'."

Os pesquisadores coletaram centenas de milhares de imagens de raios-X espalhados para descobrir a estrutura tridimensional desses receptores. Eles também testaram os efeitos de dezenas de mutações para aprofundar sua compreensão de como funcionam os receptores.

Além de descobrir minúsculos, canais de melatonina de controle nos receptores, os pesquisadores foram capazes de mapear mutações associadas ao diabetes tipo 2 no receptor MT2, pela primeira vez vendo a localização exata dessas mutações no receptor.

Estabelecendo as bases

Nestes experimentos, os pesquisadores olharam apenas para compostos que ativam os receptores, conhecidos como agonistas. Para acompanhar, eles esperam mapear os receptores ligados aos antagonistas, que bloqueiam os receptores. Eles também esperam usar suas técnicas para investigar outros receptores GPCR no corpo.

"Como biólogo estrutural, foi emocionante ver a estrutura desses receptores pela primeira vez e analisá-los para entender como esses receptores reconhecem seletivamente suas moléculas de sinalização, "Cherezov disse." Nós sabemos sobre eles há décadas, mas até agora ninguém poderia dizer como eles realmente parecem. Agora podemos analisá-los para entender como eles reconhecem moléculas específicas, que esperamos estabelecer as bases para melhor, drogas mais eficazes. "