Биофизики из МФТИ исследовали работу лекарств против астмы на молекулярном уровне

Работа опубликована в журнале Science Advances. Рецепторы, сопряженные с G-белком, называемые сокращенно GPCR, от английского G-protein-coupled receptors, — это белковые молекулярные машины, встроенные в мембрану (внешнюю оболочку) клетки. CysLT1 является одним из таких рецепторов. Каждый GPCR специфично ловит сигнал извне и ретранслирует его внутрь клетки. Сигналы могут быть крайне разнообразными: от фотонов света до молекул жира, небольших белков или фрагментов ДНК. Внутри клетки эффект, вызываемый рецептором, также может приводить к различным последствиям: от деления или перемещения клетки до ее гибели.

Ясно, что такое «клеточное общение» — ключевой этап в функционировании нашего организма, и неудивительно, что во всех процессах нашего тела так или иначе задействованы GPCR. Поэтому ученым интересно понять, во-первых, как устроены эти биологические машины, а во-вторых, как можно на них повлиять, ведь около 40% существующих на сегодняшний день лекарств действуют именно на эту группу белков. Для этого на помощь приходит структурная биология.

Структурная биология — сложный синтез разных направлений физики и биологии: генной инженерии, получения белка в искусственных условиях, очистки белка и его кристаллизации. Дальше вступает физика. Ученые просвечивают кристаллы мощным рентгеновским излучением и на выходе получают дифракционную картину. Математическая обработка полученной информации позволяет с точностью до нескольких ангстрем узнать, как расположены атомы в молекуле закристаллизованного белка.

Для этого нужны действительно мощные источники рентгена: синхротроны или более новая для структурных биологов технология — лазеры на свободных электронах. В обоих случаях электроны разгоняются до околосветовых скоростей, а затем в синхротроне движутся по искривленной, близкой к круговой, траектории, а в лазере на свободных электронах — проходят длинный участок противоположно направленных магнитов, ондулятор.

Синхротроны применялись в структурной биологии начиная с 1970-х годов, а лазеры на свободных электронах в белковой кристаллографии — относительно недавно, начиная с 2010-х, и уже подарили научному сообществу несколько сотен структур, благодаря своему сверхмощному излучению и возможности получать дифракционные данные с кристаллов размером около 1 микрометра.

В данной работе сотрудники лаборатории структурной биологии рецепторов, сопряженных с G-белком, МФТИ исследовали рецептор CysLT1. Этот GPCR участвует в воспалительных процессах и играет важную роль в развитии аллергических заболеваний, в том числе астмы, от которой сейчас страдает около 10% населения планеты. Группе биофизиков из Физтеха удалось получить детальную 3D-структуру рецептора с двумя лекарствами, прописываемыми от астмы, аллергического ринита и крапивницы, — зафирлукастом и пранлукастом.

Кристаллы с пранлукастом получились относительно крупными, 0,3 мм в длину, и были исследованы на французском синхротроне ESRF в Гренобле, а кристаллы с зафирлукастом могли дорасти лишь до нескольких микрометров, и были исследованы в Калифорнии, на Стэндфордском лазере на свободных электронах (LCLS). Канадские коллеги помогли исследовать передачу сигнала нашим рецептором.

«Эти структуры, ставшие для нас родными, несомненно уникальны. Механизм работы CysLT1 рецептора вносит свои коррективы в понимание функционирования белков семейства GPCR, а определение области связывания лекарств, зафирлукаста и пранлукаста, послужит подспорьем для дальнейших усовершенствований препаратов от астмы: увеличения их эффективности и снижения побочных эффектов», — прокомментировала Александра Лугинина, один из авторов работы, научный сотрудник лаборатории структурной биологии рецепторов, сопряженных с G-белком, МФТИ.

Рецепторы, сопряженные с G-белком, — крайне трудные объекты для структурных исследований, и лишь нескольким лабораториям мира удалось реализовать проект такого уровня, поэтому группа ученых с Физтеха очень рада, что и российская лаборатория из МФТИ смогла оказаться в их числе.