биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Рецепторы в активной форме

[2 октября, 2008 г.]

Животные воспринимают свет и реагируют на различные физические и химические сигналы с помощью интегральных белков клеточной мембраны, принадлежащих к семейству G-белоксопряжённых рецепторов. Под действием этих сигналов рецептор «переключается» из неактивной формы в активированную, способную связывать G-белок и инициализировать внутриклеточные биохимические каскады. Менее десяти лет назад учёным удалось расшифровать пространственное строение одного из таких рецепторов — родопсина, — однако эта структура соответствовала неактивной форме белкá и не могла дать информации об активации рецептора. Недавно, после массы затраченных усилий, учёным удалось получить структуру активной формы родопсина и приблизиться, наконец, к пониманию молекулярных основ перехода рецепторов в активную форму.

Плазматическая мембрана многоклеточных животных — от млекопитающих до морских звёзд, насекомых и плоских червей — содержит множество рецепторов, объединяемых в семейство так называемых G-белоксопряжённых рецепторов. Другое часто используемое название — 7ТМ-рецепторы — связано с общей чертой их строения: их белковая цепь семь раз пронизывает мембрану в виде α-спиралей. Составляя изрядную часть генома животных (1–2%), эти рецепторы реагируют на множество различных сигналов: от света и запаха до гормонов белковой природы, низкомолекулярных соединений и ионов [1]. Активное изучение этих рецепторов, и, в первую очередь, интерес к их структурной организации и конформационным перестройкам, сопровождающим реакцию на внешние стимулы и активацию, обусловлены ещё и тем, что важнейшей областью применения этих знаний является молекулярная медицина, поскольку с неправильной работой GPCR-рецепторов связывают сотни заболеваний. Понимание механизмов взаимодействия этих рецепторов с сигнальными молекулами и последующих конформационных перестроек позволило бы усовершенствовать методики, применяемые при дизайне лекарственных препаратов [2], а значит, вылечить многие болезни.

До недавнего времени было известно строение только неактивных форм GPCR-рецепторов — родопсина [3], β2- [4], а затем и β1-адренорецепторов [5], зрительного родопсина кальмара [6] и опсина [7] — формы родопсина, не содержащей ковалентно связанного светочувствительного кофактора ретиналя (подробнее о роли ретиналя в  зрении см. в [3]). Дело, по-видимому, в том, что неактивная форма рецептора, обычно стабилизированная антагонистом, конформационно менее подвижна и легче позволяет получить кристаллы, дающие чёткую дифракционную картину. (Как известно, кристаллизация мембранных белков — один из наиболее технически и концептуально сложных моментов, сдерживающих развитие структурной биологии этих интересных и важных биологических объектов.) Так, неактивная форма родопсина содержит ковалентно связанный внутри трансмембранной части белка 11-цис ретиналь, являющийся антагонистом, а при получении структур β-адренорецепторов изучали комплексы с антагонистом каразололом. Мало того: эти структуры дополнительно стабилизировали, вводя в них генно-инженерные модификации или увеличивая число полярных кристаллографических контактов при помощи добавления моноклональных антител.

И вот теперь учёным удалось получить структуру активной формы GPCR-рецептора — опсина в комплексе с фрагментом Gα-субъединицы G-белка [8] (см. рисунок 1). Исследователи применили аналогичный приём по стабилизации структуры белка, но только вместо антагониста, стабилизирующего неактивную форму рецептора, они взяли избыток C-концевого фрагмента Gα-белка (GαCT), предположительно взаимодействующего с активированной формой рецептора и, следовательно, стабилизирующего её. Несмотря на многие попытки, учёным не удалось получить хороших кристаллов родопсина в комплексе с агонистом — полностью-транс ретиналем — из-за того, что тот слишком быстро диссоциировал от активированной молекулы. Однако считается, что опсин (Ops) значительно бóльшую часть времени проводит в активной форме (Ops*), что и позволило получить комплекс с участком G-белка (Ops*–GαCT). Последнее наблюдение подтверждается и сравнением со структурой «чистого» опсина [7] — она оказалась чрезвычайно близка к структуре Ops*–GαCT, подтверждая, что опсин удалось «поймать» именно в активной форме (Ops*). (Естественно, структура «чистого» опсина не может дать информации о деталях взаимодействия с G-белком.)

Рисунок 1. Активация G-белоксопряжённых рецепторов. Слева показана неактивная, или темновая, форма родопсина — фоторецептора светочувствительных клеток сетчатки глаза. Родопсин состоит из белка (показан зелёным) и светочувствительного кофактора ретиналя в неактивной форме (розовым). При поглощении кванта света ретиналь изомеризуется в полностью-транс форму, что приводит к активации родопсина и способности взаимодействовать с Gα-субъединицей G-белка трансдуцина, запускающего внутриклеточные биохимические каскады, в итоге формирующие зрение (связываемый участок показан красным). (Подробнее см. в статье «Зрительный родопсин — рецептор, реагирующий на свет» [3].)
Справа приведена структура активного опсина (Ops*) в комплексе с пептидом C-концевой части Gα-субъединицы трансдуцина [8]. Опсин не содержит кофактора-антагониста, что приводит к смещению равновесия Ops↔Ops* вправо и делает возможным взаимодействие с пептидом (показан красным). Наиболее значительная разница по сравнению с «темновой» формой — конформация шестой трансмембранной α-спирали (ТМ6), цитоплазматическая половина которой существенно отклонена во внешнюю сторону, что и формирует сайт связывания Gα-пептида. Направление, в котором отклоняется ТМ6, показано красной стрелкой. Рисунок из [10].

Наиболее заметное отличие активированной формы опсина от «темновой» — это существенный изгиб шестой α-спирали (ТМ6) во внешнюю по отношению ко всей молекуле сторону, что приводит к формированию сайта связывания Gα-белка (см. рисунок 2). Такой механизм конформационной перестройки при активации полностью согласуется с более ранними биофизическими работами, в которых использовали фотоаффинное или спиновое мечение отдельных участков белка, чтобы пронаблюдать за процессом активации. Получается, что данная работа подтвердила предполагавшийся ранее механизм активации с масштабным сдвигом и поворотом ТМ6, несмотря на то, что недавняя кристаллографическая структура «активированного светом» родопсина [9] не указывала на эти характерные перестройки — не исключено, что на ту структуру не лучшим образом повлиял подбор условий кристаллизации.

Рисунок 2. Схема конформационных перестроек, сопровождающих активацию родопсина (вид со стороны цитоплазмы). На схеме показано взаиморасположение трансмембранных α-спиралей активированного опсина (Ops*GαCT, показан оранжевым) и темновой формы родопсина (зелёным) на уровне сайта связывания пептида Gα (голубым). Рисунок из [8].

Полученная структура будет хорошим подспорьем для изучения взаимодействия всех 7ТМ-рецепторов с их G-белками, селективность которых к рецепторам определяется пятью C-концевыми остатками α-субъединиц. Со стороны же рецептора во взаимодействии участвует, например, консервативный во всём подсемействе А GPCR-рецепторов (семейство родопсина) остаток аргинина на цитоплазматическом конце ТМ3-спирали рецептора, в «темновой» форме стабилизирующий рецептор путём образования солевого мостика, а в активированной — взаимодействуя с G-белком. Другое дело, что у GPCR-рецепторов семейства B (рецепторы секретина, кальцитонина, соматомедина и других пептидных гормонов) взаимодействие может осуществляться по другому принципу: в этих рецепторах отсутствуют аналогичные консервативные остатки.

Хотя из новой структуры мы видим значительные перестройки в «нижней» части рецептора, участки, образующие сайт связывания лиганда, изменились совсем немного. Это, впрочем, может быть отличительной чертой родопсина, у которого сайт связывания ретиналя с внеклеточной стороны прикрыт «крышкой» из нескольких β-листов, предотвращающих излишнюю подвижность трансмембранного домена. У других рецепторов всё может быть устроено иначе: у β-адренорецепторов, например, на аналогичном участке расположена α-спираль, не препятствующая диффузии лигандов в сайт связывания. Однако чтобы вникнуть в такие подробности, потребуется получить ещё не одну структуру — образующую комплекс не только с G-белком, но и низкомолекулярным агонистом, и лучше всего — уже не для такого «вдоль и поперёк» исследованного рецептора, как родопсин.

При написании статьи использовались материалы рубрики News & Views Nature [10].

Литература

  1. Pierce K.L., Premont R.T., Lefkowitz R.J. (2002). Seven-transmembrane receptors. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 3, 639–650 (в интернете);
  2. биомолекула: «Драг-дизайн: как в современном мире создаются новые лекарства»;
  3. биомолекула: «Зрительный родопсин — рецептор, реагирующий на свет»;
  4. биомолекула: «Новый рубеж: получена пространственная структура β2-адренорецептора»;
  5. Warne T., Serrano-Vega M.J., Baker J.G., Moukhametzianov R., Edwards P.C., Henderson R., Leslie A.G., Tate C.G., Schertler G.F. (2008). Structure of a β1-adrenergic G-protein-coupled receptor. Nature 454, 486–491 (в интернете);
  6. биомолекула: «Как кальмары реагируют на поляризованный свет?»;
  7. Park J.H., Scheerer P., Hofmann K.P., Choe H.W., Ernst O.P. (2008). Crystal structure of the ligand-free G-protein-coupled receptor opsin. Nature 454, 183–187 (в интернете);
  8. Scheerer P., Park J.H., Hildebrand P.W., Kim Y.J., Krauss N., Choe H.W., Hofmann K.P., Ernst O.P. (2008). Crystal structure of opsin in its G-protein-interacting conformation. Nature 455, 497–502 (в интернете);
  9. Salom D., Lodowski D.T., Stenkamp R.E., Le Trong I., Golczak M., Jastrzebska B., Harris T., Ballesteros J.A., Palczewski K. (2006). Crystal structure of a photoactivated deprotonated intermediate of rhodopsin. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 16123–16128 (в интернете);
  10. Schwartz T.W., Hubbell W.L. (2008). Structural biology: A moving story of receptors. Nature 455, 473–474 (в интернете).

Автор: Чугунов Антон.

Число просмотров: 1521.

Creative Commons License — условия использования и распространения материалов сайта.
Вернуться в раздел «Структуры»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

β-Адренорецепторы в активной форме

Чугунов Антон — 17 января, 2011 г. 00:13. (ссылка)

Во втором номере Nature за 2011 год вышло целых три статьи, описывающих пространственные структуры β-адренорецепторов либо в состоянии, связанном с агонистом и готовом к активации, либо уже совершившем этот конформационный переход и стабилизированном там при помощи наноантитела. Первая работа сделана на термостабилизированном точечными заменами β1-адренорецепторе в комплексе с агонистами кармотеролом и изопреналином, а также частичными агонистами сальбутамолом и добутамином. Две другие работы идут в паре: в одной из них описывается структура β2-адренорецептора с ковалентно присоединённым агонистом, в другой активная форма этого же рецептора стабилизирована связыванием наноантитела, имитирующего G-белок. В активной форме рецептора цитоплазматические концы трансмембранных спиралей 5, 6 и 7 существенно расходятся, образуя сайт взаимодействия с G-белком. Эта конформационная перестройка напоминает таковую для родопсина.

(ответить)

Структура аденозинового рецептора (неактивная форма)

Чугунов Антон — 5 октября, 2008 г. 22:14. (ссылка) (свернуть ветвь)

Ну вот, не успел я написать про активированный родопсин, как уже появилась структура нового GPCR’а, тоже подсемейства А, но другой группы — аденозинового рецептора A2AR. (Кстати, один из антагонистов аденозиновых рецепторов — кофеин.) Получили структуру те же люди, которые сделали β-адренорецепторы, использовав примерно тот же приём — встраивание лизозима T4 вместо одной из цитоплазматических петель для уменьшения подвижности, увеличения стабильности, усиления кристаллизации ну и проч., а также дополнительно стабилизировав рецептор антагонистом. Хоть в целом структура и похожа на предыдущие GPCR-ы, но в мелочах накапливается масса отличий: это и положение и углы наклона ТМ-спиралей, и строение цитоплазматического сайта для связывания G-белков, и внеклеточные петли, и, пожалуй, самое главное, — сайт связывания лиганда. Раньше многие верили, что сайт связывания должен в любом рецепторе подсемейства А быть расположен в том же месте, где у родопсина связывается ретиналь; но тут — облом — оказалось, что связывание антагониста происходит в существенно другом месте... Так что и в других рецепторах сайты могут быть расположены в широком ассортименте диапазоне. Превед, моделисты!
ЗЫ Да, вот ещё материал на эту тему: «„Caffeine Receptor“ Solved: Structure Of Important Neurological Receptor Defined» (Science Daily).

(ответить)

Re: Структура аденозинового рецептора (неактивная форма)

Людмила Белик — 30 сентября, 2010 г. 09:35. (ссылка)

Как бы Вы , уважаемый Антон не возмущались моей ложкой дёгтя в вашу бочку мёда , но я вынуждена несколько огорчить Вас . Все вот это исследование проводилось в ТЛЕНЕ , в котором НЕТ жизни - она не переходит в изъятое из жизни .
Придумай ультрафизики приборы управления белками (в теле , в самой жизни !)и трансформерами клеточных решений (совершенно урановых ) , они бы уже давно открыли сам принцип подачи всей настоящей (а не трупной !) геннетикой клеток , промежуточного окружения и даже дальнедейчствующих стволовых клеток - ядерных насквозб вещества .
Спешите быть лидером в Науке о жизни . То , что я называю ультрафизиков уже записали на видео ученые США и Великобритании в красивой записи "Деления клетки" .
Это шедевр и моё счастье - об этом и пишу лет 30 . И это ПОЗОР РАН - отставшей от настоящей науки навсегда .
Открывшие сигнальную силу делителя и делимого ученые не поняли и половину того , что я пыталась отдать Российской науке , руководимой академиками неучами для власти над наукой .

(ответить)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.