Белок FZD4 раскрыл свою структуру исследователям

Международная группа исследователей, в которую входят ученые из МФТИ Петр Попов и Всеволод Катрич, расшифровала структуру одного из важнейших рецепторных белков в организме. Работа проливает свет на эволюцию большой группы подобных рецепторов и открывает перспективы разработки новых лекарственных препаратов, которые ранее зашли в тупик. Статья опубликована в журнале Nature.

Объектом интереса международной группы исследователей из Китая, США и России стал трансмембранный домен белка под названием FZD4. Эта молекула играет важную роль в эмбриональном развитии человека, а мутации в его гене связаны с несколькими наследственными заболеваниями.

FZD4 относится к группе рецепторов, ассоциированных с G-белком (GPCR-белки), а конкретнее — к классу F (Frizzled). Это сигнальные молекулы, которые пронизывают клеточную мембрану насквозь и путем изменения своей структуры передают информацию внутрь клетки. Исследование структуры таких белков — очень важная задача для фармакологии, так как многие из них ассоциированы с различными заболеваниями, а знание структуры позволяет подобрать молекулу, которая потенциально будет обладать лекарственным действием.

Однако получение структур этих рецепторов сопряжено с большими методологическими трудностями. Для выявления расположения атомов методом рентгеновской кристаллографии белок необходимо кристаллизовать и поместить в рентгеновский аппарат. Все это предъявляет серьезные требования к стабильности белка в процессе длительной пробоподготовки.

Обычно исследователи стабилизируют белки, связывая их с лигандами — молекулами, связывающими различные участки белка. Лигандами могут быть как те вещества, которые белок связывает в организме, так и лекарственные молекулы или специально синтезированные субстанции.

Исследователи выбрали для себя довольно сложную задачу. Белок FZD4 относится к GPCR-рецепторам класса F. До того была получена и расшифрована лишь одна структура этого класса — SMO-рецептор.

Чтобы достичь цели, ученым пришлось изменить некоторые аминокислоты в белковой последовательности — для повышения стабильности укладки молекулы при пробоподготовке. Этого удалось добиться с использованием программного комплекса CompoMug, разработанного специалистами из МФТИ и Университета Южной Калифорнии.

Всеволод Катрич, визит-профессор МФТИ, рассказывает: «В организме человека насчитывается около 800 различных рецепторов, сопряженных с G-белком. На сегодняшний день расшифрованы атомарные структуры около 50 рецепторов, большая часть которых относится к классу A. Благодаря нашему методу мы предсказали аминокислотные замены, которые повысили стабильность рецептора FZD4 из класса F, что способствовало получению второй структуры белка из этого класса».

Петр Попов, научный сотрудник лаборатории структурной биологии рецепторов, сопряженных с G-белком, МФТИ, поясняет: «Рецепторы GPCR — мишень для примерно 30-40% лекарственных препаратов, поэтому структурные исследования этих белков имеют большую научную и прикладную значимость. С использованием машинного обучения мы создали вычислительный метод (CompoMug), который позволят предсказать, какие минимальные изменения можно внести в рецептор, чтобы улучшить его стабильность, тем самым способствуя кристаллизации и получению структуры».

При помощи рентгеновской кристаллографии была получена точная структура трансмембранного участка рецептора. Оказалось, его структура довольно сильно отличается от аналогичных рецепторов, не относящихся к классу F. Ключевое отличие, обнаруженное исследователями, заключается в наличии между пронизывающими мембрану спиралями белка очень узкого и длинного гидрофильного кармана. В норме такой карман у белков этой группы есть, но он имеет совершенно другую форму. Именно на него обычно действуют лекарственные препараты к 7-доменным рецепторам других групп. Таким образом, работа ученых показала возможную причину неудач в разработке лекарств.

Получение столь точной структуры рецептора не только открывает дальнейшие перспективы теоретических исследований, но и позволит разработать лекарства от связанных с белками Frizzled заболеваний.