Attraverso una collaborazione internazionale, gli scienziati del St. Jude Children’s Research Hospital hanno sfruttato la scienza dei dati, la farmacologia e le informazioni strutturali per condurre un’indagine a livello atomico su come ciascun amminoacido nel recettore che lega l’adrenalina contribuisce all’attività del recettore in presenza di questo ligando naturale . Hanno scoperto con precisione quali amminoacidi controllano le principali proprietà farmacologiche del ligando. Il recettore dell’adrenalina studiato è un membro della famiglia dei recettori accoppiati alle proteine G (GPCR), e questa famiglia è il bersaglio di un terzo di tutti i farmaci approvati dalla Food and Drug Administration (FDA). Pertanto, comprendere come i GPCR rispondono ai ligandi naturali o terapeutici è fondamentale per sviluppare nuove terapie con effetti precisi sull’attività dei recettori. L’opera è stata pubblicata oggi in Scienza.
Per capire come funziona un orologio, è possibile smontarlo pezzo per pezzo e studiare il ruolo svolto da ciascun componente nella sua funzione di cronometraggio. Allo stesso modo, in una proteina come una GPCR, ciascun amminoacido potrebbe svolgere un ruolo diverso nel modo in cui la proteina risponde a un segnale esterno. I ricercatori del St. Jude, in collaborazione con scienziati dell’Università di Stanford, dell’Università di Montreal, del Laboratorio di Biologia Molecolare dell’MRC e dell’Università di Cambridge, hanno studiato il recettore β2-adrenergico (β2AR) sostituendo un amminoacido alla volta per comprendere il contributo di ciascun amminoacido in questo recettore per mediare una risposta di segnalazione.
“Gli scienziati imparano come i geni contribuiscono alla funzione cellulare distruggendoli uno alla volta. Ci siamo chiesti: “Perché non approfondiamo questo aspetto? Comprendiamo come ogni amminoacido contribuisce al funzionamento di un recettore mutandolo, uno amminoacido alla volta”, ha affermato l’autore co-corrispondente M. Madan Babu, PhD, del Dipartimento di biologia strutturale di St. Jude, direttore del Centro di eccellenza per la scoperta guidata dai dati e della cattedra George J. Pedersen Endowed in Biological Data Science . “Durante l’evoluzione, ogni amminoacido nel recettore è stato scolpito in un modo o nell’altro per garantire che si leghi al ligando naturale, in questo caso l’adrenalina, e susciti la risposta fisiologica appropriata.”
Trovare la funzione nel modulo
I GPCR sono proteine che attraversano la membrana cellulare e collegano l’esterno della cellula al suo ambiente interno trasmettendo segnali esterni all’interno della cellula. Nel caso del β2AR, l’adrenalina si lega al GPCR sulla parte esterna della cellula, inducendo una risposta all’interno della cellula.
Quando un ligando si lega, provoca cambiamenti nella forma del recettore, soprattutto nella regione intracellulare del recettore dove si lega una proteina G. I siti di legame per il ligando e la proteina G si trovano sui lati opposti della proteina ma si collegano attraverso una complessa rete di contatti amminoacidici che abbraccia l’intera proteina. I cambiamenti conformazionali (forma) all’interno del GPCR attivano la proteina G per innescare una risposta di segnalazione a valle all’interno della cellula. Attraverso gli effetti su più tessuti e GPCR, incluso il β2AR, l’adrenalina può innescare la risposta di lotta o fuga, come durante un’ondata di adrenalina.
Per comprendere il ruolo di ciascun amminoacido in un GPCR, Franziska Heydenreich, PhD, ora dell’Università Philipps di Marburg, autore principale e co-corrispondente di questo progetto, ha mutato ciascuno dei 412 amminoacidi nel β2AR. Ha poi valutato la risposta di ciascun mutante al ligando adrenalina e ha determinato le proprietà farmacologiche classiche di efficacia e potenza. L’efficacia misura la risposta massima che un ligando può suscitare, mentre la potenza misura la quantità di ligando necessaria per suscitare metà della risposta massima. Lo scopo era rivelare, su scala atomica, come ciascun amminoacido contribuisce a queste proprietà farmacologiche.
“Sorprendentemente, solo circa 80 degli oltre 400 aminoacidi hanno contribuito a queste proprietà farmacologiche. Di questi aminoacidi farmacologicamente rilevanti, solo un terzo si trovava all’interno di regioni in cui il ligando o la proteina G si legava al recettore”, ha detto Heydenreich.
“È stato affascinante osservare che ci sono alcuni amminoacidi che controllano l’efficacia, alcuni che controllano la potenza e poi ce ne sono altri che influenzano entrambi”, ha detto Babu. “Significa che se vuoi creare un farmaco più potente o efficace, ora sai che ci sono residui specifici che il nuovo ligando deve influenzare.” I ricercatori hanno inoltre notato che il contributo individuale di ciascun residuo all’efficacia e alla potenza non era uguale, il che implica ancora più opportunità per mettere a punto le risposte dei farmaci durante la progettazione di nuovi ligandi terapeutici.
“L’efficacia e la potenza sono state misurate per numerosi sistemi di segnalazione ligando-recettore per diversi decenni. Ora possiamo capire come specifici amminoacidi nella sequenza di una proteina possono influenzare queste proprietà farmacologiche”, ha spiegato Babu.
“Un aspetto affascinante dei risultati è che la potenza e l’efficacia possono essere regolate indipendentemente l’una dall’altra attraverso meccanismi distinti. Ciò fornisce una base per comprendere come la variazione genetica influenza le risposte ai farmaci tra gli individui,” Michel Bouvier, PhD, co-autore corrispondente dello studio Ha aggiunto il Dipartimento di Biochimica e Medicina Molecolare e Direttore Generale dell’Istituto di Ricerca in Immunologia e Cancro dell’Università di Montreal.
Una bella rete
Ricerche precedenti hanno illustrato la struttura degli stati attivo e inattivo del β2AR. Basandosi su queste conoscenze, i ricercatori hanno intrapreso una nuova indagine. Hanno esplorato se i due terzi degli amminoacidi farmacologicamente rilevanti precedentemente dimostrati non coinvolti nel legame del ligando o della proteina G potrebbero svolgere un ruolo nella transizione tra lo stato attivo e quello inattivo del recettore.
“Abbiamo iniziato sistematicamente a esaminare ogni residuo di contatto unico nello stato attivo”, ha detto Heydenreich, “per capire se tutti gli amminoacidi che stabiliscono un contatto nello stato attivo sono importanti”.
I ricercatori hanno sviluppato un quadro di scienza dei dati per integrare sistematicamente dati farmacologici e strutturali e hanno rivelato il primo quadro completo della segnalazione GPCR. “Quando abbiamo mappato i dati farmacologici sulla struttura, hanno formato una bellissima rete”, ha detto Babu.
“Ha fornito nuove informazioni sulla rete allosterica che collega la tasca di legame del ligando al sito di legame della proteina G che governa l’efficacia e la potenza.” Ha aggiunto Brian Kobilka, co-autore corrispondente e vincitore del Premio Nobel 2012 per la Chimica presso la Stanford University School of Medicine.
Comprendendo la segnalazione GPCR a livello atomico, i ricercatori sono ottimisti di poter iniziare a sondare ancora più in profondità, per vedere i sottostati transitori tra le conformazioni attive e inattive ed esplorare il panorama conformazionale delle proteine.
“Ora sappiamo quali mutanti perseguire, quelli che influenzano solo l’efficacia, la potenza o entrambi”, ha detto Heydenreich.
“Ora possiamo eseguire calcoli di dinamica molecolare ed esperimenti su singole molecole su questi mutanti per rivelare gli esatti meccanismi attraverso i quali la rete allosterica influenza l’efficacia e la potenza nel mediare una risposta di segnalazione. Questa è una direzione che stiamo perseguendo attraverso un progetto di ricerca della St. Jude Research. Collaborazione sui GPCR che include PI di diverse istituzioni.” Babu spiegò.
Oltre a questi residui “driver” che sono coinvolti nella mediazione dei contatti attivi stato-specifici e influenzano la farmacologia quando mutati, Babu e i suoi colleghi intendono sondare altri risultati chiave rivelati da questo lavoro. Il loro obiettivo è studiare gli amminoacidi “passeggeri” che, nonostante stabiliscano contatti nello stato attivo, non influenzano l’efficacia o la potenza quando mutati. Sono interessati anche ai residui “modulatori” che non mediano contatti attivi specifici dello stato ma alterano la farmacologia quando mutati. Il loro approccio basato sulla scienza dei dati, che integra informazioni strutturali e misurazioni farmacologiche, non si limita al β2AR. Può essere esteso a qualsiasi GPCR per migliorare la nostra comprensione dei meccanismi che governano questa classe cruciale di bersagli farmacologici.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
