A través de una colaboración internacional, los científicos del St. Jude Children's Research Hospital han aprovechado la ciencia de datos, la farmacología y la información estructural para realizar una investigación a nivel atómico sobre cómo cada aminoácido en el receptor que se une a la epinefrina contribuye a la actividad del receptor en el presencia de este ligando natural. . Descubrieron precisamente qué aminoácidos controlan las propiedades farmacológicas clave del ligando. El receptor de adrenalina estudiado es miembro de la familia de receptores acoplados a proteína G (GPCR), y esta familia es el objetivo de un tercio de todos los medicamentos aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA). Por lo tanto, comprender cómo responden los GPCR a ligandos naturales o terapéuticos es fundamental para desarrollar nuevas terapias con efectos precisos sobre la actividad del receptor. El trabajo fue publicado recientemente en la revista Science.
Zhaowen Luo
Al observar cada componente individual del receptor adrenérgico β2 y ver cómo contribuyen a la función general de la proteína, los investigadores y colaboradores internacionales de St. Jude pueden visualizar la red que permite que la unión del ligando se traduzca a través de la membrana. la célula.
Para entender cómo funciona un reloj, es posible desmontarlo pieza por pieza y estudiar el papel que desempeña cada componente en su función de cronometraje. De manera similar, en una proteína como GPCR, cada aminoácido puede desempeñar un papel diferente en la forma en que la proteína responde a una señal externa. Jude, en colaboración con científicos de la Universidad de Stanford, la Universidad de Montreal, el Laboratorio de Biología Molecular del MRC y la Universidad de Cambridge, investigó el receptor β2-adrenérgico (β2AR) sustituyendo un aminoácido a la vez para comprender su contribución. de cada aminoácido en este receptor para mediar una respuesta de señalización.
“Los científicos aprenden cómo los genes contribuyen al funcionamiento celular al alterarlos uno por uno. Preguntamos: '¿Por qué no llevamos esto a un nivel más profundo? Entendamos cómo cada aminoácido contribuye al funcionamiento de un receptor cambiándolos, un aminoácido a la vez'”, dijo el coautor para correspondencia. M. Madan Babudel Departamento de St. Jude Biología estructural, Centro de excelencia para el descubrimiento basado en datosmi director y catedrático de Ciencia de Datos Biológicos. «A lo largo de la evolución, cada aminoácido del receptor ha sido esculpido de una forma u otra para garantizar que se una al ligando natural, en este caso la adrenalina, y provoque la respuesta fisiológica adecuada».
Franziska Heydenreich de la Universidad de Marburg, autora principal y coautora, tiene una estructura de receptor acoplado a proteína G.
Encontrar función en forma
Los GPCR son proteínas que atraviesan la membrana celular y conectan el exterior de la célula con su entorno interno, transmitiendo señales externas al interior de la célula. En el caso del β2AR, la adrenalina se une al GPCR en el exterior de la célula, induciendo una respuesta dentro de la célula.
Cuando un ligando se une, provoca cambios en la forma del receptor, especialmente en la región intracelular del receptor donde se une la proteína G. Los sitios de unión del ligando y la proteína G están en lados opuestos de la proteína, pero se conectan a través de una red compleja de contactos de aminoácidos que abarca toda la proteína. Los cambios conformacionales (de forma) dentro del GPCR activan la proteína G para desencadenar una respuesta de señalización posterior dentro de la célula. A través de efectos sobre múltiples tejidos y GPCR, incluido el β2AR, la adrenalina puede desencadenar la respuesta de lucha o huida, como durante una descarga de adrenalina.
Para comprender el papel de cada aminoácido en un GPCR, Franziska Heydenreich de la Universidad Philipps de Marburg, líder y coautora de este proyecto, mutó cada uno de los 412 aminoácidos del β2AR. Luego evaluó la respuesta de cada mutante al ligando de adrenalina y determinó las propiedades farmacológicas clásicas de eficacia y potencia. La eficacia mide la respuesta máxima que un ligando puede provocar y la potencia mide la cantidad de ligando necesaria para provocar la mitad de la respuesta máxima. El objetivo era revelar, a escala atómica, cómo cada aminoácido contribuye a estas propiedades farmacológicas.
“Sorprendentemente, sólo alrededor de 80 de los más de 400 aminoácidos contribuyeron a estas propiedades farmacológicas. De estos aminoácidos farmacológicamente relevantes, sólo un tercio se encontraba en regiones donde el ligando o la proteína G se unía al receptor”, dijo Heydenreich.
«Fue fascinante observar que hay algunos aminoácidos que controlan la eficacia, algunos que controlan la potencia y otros que afectan a ambos», dijo Babu. «Esto significa que si quieres crear un fármaco más potente o eficaz, ahora sabes que hay residuos específicos sobre los que el nuevo ligando debe influir». Los investigadores también observaron que la contribución individual de cada residuo a la eficacia y la potencia no era igual, lo que implica aún más oportunidades para ajustar las respuestas a los fármacos al diseñar nuevos ligandos terapéuticos.
“Durante varias décadas se han medido la eficacia y la potencia de varios sistemas de señalización ligando-receptor. Ahora podemos entender cómo aminoácidos específicos en una secuencia de proteínas pueden influir en estas propiedades farmacológicas”, explicó Babu.
“Un aspecto fascinante de los resultados es que la potencia y la eficacia se pueden regular de forma independiente a través de distintos mecanismos. Esto proporciona una base para comprender cómo la variación genética influye en las respuestas a los medicamentos entre los individuos”, añadió Michel Bouvier, coautor correspondiente del Departamento de Bioquímica y Medicina Molecular y director general del Instituto de Inmunología e Investigación del Cáncer de la Universidad de Montreal.
Madan Babu, Departamento de Biología Estructural de St. Jude, director del Centro de Excelencia para el Descubrimiento Basado en Datos y profesor de Ciencia de Datos Biológicos.
Una hermosa red
Investigaciones anteriores han ilustrado la estructura de los estados activo e inactivo de β2AR. A partir de este conocimiento, los investigadores iniciaron una nueva investigación. Exploraron si los dos tercios de los aminoácidos farmacológicamente relevantes que previamente se había demostrado que no estaban involucrados en la unión del ligando o la proteína G podrían desempeñar un papel en la transición entre los estados activo e inactivo del receptor.
«Comenzamos a observar sistemáticamente cada contacto de residuo único en el estado activo», dijo Heydenreich, «para comprender si todos los aminoácidos que hacen contacto en el estado activo son importantes».
Los investigadores desarrollaron un marco de ciencia de datos para integrar sistemáticamente datos farmacológicos y estructurales y revelaron la primera imagen completa de la señalización de GPCR. «Cuando asignamos los datos farmacológicos a la estructura, formamos una hermosa red», dijo Babu.
«Proporcionó nuevos conocimientos sobre la red alostérica que une el bolsillo de unión del ligando con el sitio de unión de la proteína G que gobierna la eficacia y la potencia», añadió Brian Kobilka, coautor y ganador del Premio Nobel de Química 2012 en la Escuela de Ciencias de la Universidad de Stanford. Medicamento.
Al comprender la señalización de GPCR a nivel atómico, los investigadores se sienten optimistas de poder comenzar a investigar aún más profundamente: ver los subestados transitorios entre conformaciones activas e inactivas y explorar el panorama conformacional de las proteínas.
«Ahora sabemos qué mutantes buscar, aquellos que afectan sólo la eficacia, la potencia o ambas», dijo Heydenreich.
“Ahora podemos realizar cálculos de dinámica molecular y experimentos de una sola molécula en estos mutantes para revelar los mecanismos exactos por los cuales la red alostérica influye en la eficacia y potencia para mediar en una respuesta de señalización. Esta es una dirección que estamos siguiendo a través de un Colaboración de investigación de St. Louis en GPCR que incluye IP de varias instituciones”. Babú explicó.
Además de estos residuos «conductores» que intervienen en la mediación de contactos activos específicos de estados y afectan la farmacología cuando mutan, Babu y sus colegas pretenden investigar otros hallazgos importantes revelados por este trabajo. Pretenden estudiar aminoácidos “pasajeros” que, a pesar de hacer contactos en estado activo, no afectan la eficacia ni la potencia cuando mutan. También están interesados en residuos «moduladores» que no median contactos específicos en estados activos pero que alteran la farmacología cuando mutan. Su enfoque de ciencia de datos, que integra información estructural y mediciones farmacológicas, no se limita a β2AR. Puede extenderse a cualquier GPCR para mejorar nuestra comprensión de los mecanismos que rigen esta clase crucial de objetivos farmacológicos.
