Long read
Международная группа ученых из США, Канады, Китая и России впервые установила кристаллическую структуру комплекса из клеточного рецептора и связанного с ним лекарства мизопростола, применяемого для лечения послеродового кровотечения. Работа опубликована в Nature Chemical Biology.
Одной из главных причин женской смертности после родов является послеродовое кровотечение. Всемирной организацией здравоохранения основным средством профилактики этой болезни был признан окситоцин, однако из-за своей нестабильности и дороговизны он недоступен большинству людей в развивающихся странах. Напротив, дешевый и стабильный мизопростол получил широкое распространение, но из-за недостаточной селективности он обладает рядом серьезных побочных эффектов.
Мизопростол — близкий аналог естественных биоактивных липидов простагландинов E (prostaglandins E — PGE), которые участвуют во многих физиологических процессах, таких как роды, воспаление, лихорадка, атеросклероз, сердечная ишемия, астма и другие. Простагландины синтезируются локально в тканях и распознаются клетками с помощью рецепторов, сопряженных с G-белками (G-protein-coupled receptors — GPCR ).
В 2012 году за исследование таких рецепторов была присуждена Нобелевская премия по химии Роберту Лефковитцу и Брайану Кобилке. Оказалось, что GPCR находятся на поверхности клетки (в клеточной мембране) и принимают сигнал извне, связываясь с внеклеточными молекулами, а затем активируют G-белки, которые в свою очередь передают сигнал внутрь клетки. Это своего рода уникальный способ общения клеток между собой и окружающей средой, поэтому многие лекарственные средства нацелены на GPCR, в том числе мизопростол. До сегодняшнего момента структура мизопростола, связанного с рецептором, не была изучена в деталях, поэтому улучшить лекарство было невозможно.
В процессах, происходящих в клетках нашего организма, большое значение имеет форма (пространственная структура) молекул, и во многом именно она определяет функции молекул. Чем лучше молекула связывается с целевым рецептором, тем вероятнее, что правильный (однозначный) сигнал будет передан внутрь клетки. В противном случае молекула, не обладая достаточной селективностью к одному рецептору, может воздействовать на несколько рецепторов и вызывать побочные эффекты.
Основной метод детального изучения пространственной структуры молекул — рентгеноструктурный анализ. Для того, чтобы молекулу изучить данным методом, ее необходимо перевести в кристаллическое состояние, чтобы «зафиксировать» молекулы на время эксперимента. Однако некоторые молекулы тяжело кристаллизуются или вообще не поддаются кристаллизации. Примером сложно кристаллизующихся белков являются GPCR: выделение их из мембраны, в которой они находятся, может привести к изменению пространственной структуры, поэтому наиболее успешным способом является кристаллизация непосредственно из липидного окружения.
Для этого используют так называемую липидную кубическую фазу. Эта фаза возникает самопроизвольно при смешивании некоторых липидов с водой. Липиды при этом формируют липидный бислой (как у клеточной мембраны), а затем образуют периодические трехмерные полые структуры с кубической симметрией. В такие структуры можно поместить мембранный белок для сохранения его естественной формы.
Другим ограничением традиционного рентгеноструктурного анализа являются радиационные повреждения молекул при прохождении через них рентгеновского излучения. Эти проблемы могут быть решены с помощью новых источников рентгеновского излучения — рентгеновских лазеров на свободных электронах (X-ray free electron laser — XFEL).
Они позволяют облучать исследуемые вещества ультракороткими импульсами длительностью в несколько фемтосекунд (1фс = 10-15 с), за это время молекулы не успевают разрушиться, а атомы в молекуле — изменить свое положение в пространстве. С помощью такой технологии можно даже проследить отдельные стадии взаимодействия молекул.
Авторы работы впервые представили кристаллическую структуру мизопростола, связанного с целевым рецептором с разрешением 2,5 Å (для сравнения: размер атома углерода ~ 1,5 Å). Для достижения этой цели ученые закристаллизовали систему «мизопростол — рецептор» в липидной кубической фазе и использовали технологию XFEL.
Ученые обнаружили, что простагландиновый рецептор содержит небольшой «карман», в котором происходит связывание с мизопростолом. Несмотря на то, что исследуемый рецептор простогландина по форме близок к другим GPCR, после связывания с мизопростолом «карман» рецептора полностью закупоривается молекулярной «крышкой», что нехарактерно для большинства GPCR. Также авторы статьи обнаружили «слабые» места в связывании рецептора с мизопростолом и провели моделирование других близких аналогов простагландинов E c улучшенной селективностью. В будущем это может послужить базой для создания нового поколения лекарственных средств.
«Пространственная структура комплекса "мизопростол — рецептор", описанная в нашей работе, может служить отправной точкой для создания будущих лекарственных средств, сочетающих преимущества мизопростола и безопасность применения», — комментирует один из соавторов статьи, заведующий лабораторией структурной биологии рецепторов, сопряженных с G белком, МФТИ Вадим Черезов.
Физтех
