Quasi il 35% dei farmaci approvati dalla Food and Drug Administration agiscono prendendo di mira i recettori accoppiati a proteine G (GPCR), proteine incorporate nelle membrane cellulari che consentono alle cellule di comunicare tra loro. I recettori accoppiati alle proteine G di adesione (aGPCR) rappresentano la seconda famiglia più grande di questi recettori negli esseri umani. Come suggerisce il nome, aiutano le cellule ad aderire, o ad attaccarsi l’una all’altra, e a inviare segnali all’interno del corpo.
Questi recettori sono coinvolti in molti processi, ad esempio come crescono i tessuti, come funziona il sistema immunitario e come si formano gli organi. Problemi con gli aGPCR possono anche portare a malattie come cancro, disturbi cerebrali e problemi di crescita. Nonostante il ruolo ovviamente importante che svolgono nell’organismo, tuttavia, non esistono farmaci approvati per colpire gli aGPCR perché sono grandi, complessi e difficili da studiare.
Una nuova ricerca dell’Università di Chicago combina due potenti tecniche di imaging per studiare la struttura completa di un comune aGPCR, compreso il modo in cui la sua lunga e complessa regione extracellulare interagisce con la regione transmembrana incorporata nella superficie cellulare. Le diverse posizioni e movimenti della regione extracellulare sembrano essere un modo importante per attivare il recettore.
“Ciò apre nuove opportunità per drogare i GPCR di adesione, perché ora stiamo dimostrando che la regione extracellulare comunica con la regione transmembrana”, ha affermato Demet Araç, PhD, professore associato di biochimica e biologia molecolare all’Università di Chicago e autore senior del nuovo studio. . I risultati sono stati pubblicati questo mese in Comunicazioni sulla natura.
Catturare nuove immagini e nuove configurazioni
La regione extracellulare di un aGPCR si estende dalla membrana cellulare nello spazio esterno alla cellula, dove può legarsi a molecole e recettori di altre cellule. È costituito da diversi domini, incluso il dominio GPCR Autoproteolysis INducing (GAIN), che può dividersi in due parti.
La comprensione comune di come attivare un aGPCR è che un ligando esterno alla cellula si attacca a uno dei domini extracellulari ed esercita una forza che separa il dominio GAIN dall’altro pezzo, un peptide chiamato agonista legato (TA) che rimane attaccato a la regione transmembrana. Quando il TA è separato, può muoversi e interagire con la regione transmembrana per avviare la segnalazione, ma un numero crescente di ricerche biochimiche mostra che molte funzioni dell’aGPCR non si basano su questo meccanismo dipendente dalla scissione. Anche la separazione del dominio GAIN è irreversibile, lasciando il recettore in uno stato costantemente “acceso”, il che può essere dannoso per la cellula. A volte una cellula può aver bisogno di attivare e disattivare un recettore, quindi deve esserci un altro modo per farlo.
Il laboratorio di Araç ha lavorato per 11 anni per rivelare la struttura degli aGPCR a lunghezza intera, sperando di scoprire come i segnali in entrata vengono trasmessi dall’esterno all’interno della cellula. Questi recettori sono notoriamente difficili da comprendere appieno perché le regioni extracellulari hanno molte configurazioni complesse e distinte. Lo studente laureato Szymon Kordon, PhD, ha condotto il nuovo studio, riprendendo il lavoro di uno studente precedente per catturare immagini della struttura completa di Latrophilin3, un aGPCR coinvolto nello sviluppo delle sinapsi cerebrali che è stato anche collegato al disturbo da deficit di attenzione e iperattività e a diversi tumori .
Kordon e Araç hanno ottimizzato la generazione e la purificazione della Latrophilin3 e hanno acquisito le immagini iniziali al microscopio elettronico, ma hanno dovuto affrontare numerose sfide per ottenere una buona immagine del recettore. Hanno poi lavorato con Antony Kossiakoff, PhD, professore di biochimica e biologia molecolare di Otho SA Sprague Distinguished Service presso l’Università di Chicago, per creare un anticorpo sintetico che potesse attaccarsi all’aGPCR. Questo anticorpo ha stabilizzato la regione extracellulare e le ha conferito una forma caratteristica che ha permesso a Kordon di catturare l’intera struttura del recettore utilizzando la microscopia crioelettronica (crio-EM), una tecnica di imaging che congela cellule e molecole per un’istantanea. Le immagini risultanti sono diventate la prima struttura conosciuta di un aGPCR completo.
Le immagini cryo-EM hanno mostrato che il dominio GAIN del recettore assumeva diverse posizioni rispetto alla superficie cellulare. Ogni diversa posizione del dominio GAIN creava un diverso punto di contatto tra esso e la regione transmembrana. I ricercatori si sono chiesti se queste diverse configurazioni potessero rappresentare un mezzo diverso di comunicazione con la cellula, senza separare completamente il dominio GAIN. Quindi, hanno collaborato con Reza Vafabakhsh, PhD, professore associato di bioscienze molecolari presso la Northwestern University, e Kristina Cechova, PhD, ricercatrice post-dottorato presso la Northwestern, per eseguire una seconda serie di esperimenti che monitoravano i movimenti delle regioni extracellulari.
Cechova e il team hanno utilizzato l’imaging FRET (Förster Resonance Energy Transfer), che può misurare il trasferimento di energia tra molecole vicine l’una all’altra. Dopo aver attaccato marcatori fluorescenti a diversi punti sia sulle regioni extracellulari che transmembrana dell’aGPCR, hanno potuto seguirne i movimenti mentre rispondeva alle forze di adesione che lo tiravano e lo spingevano. Ciò che hanno visto ha confermato i loro sospetti sulla funzione delle diverse configurazioni.
“Diversi stati conformazionali sono correlati a diverse attività di segnalazione del recettore”, ha detto Kordon. “Ciò dimostra la rilevanza funzionale di queste conformazioni sulla segnalazione a valle nella cellula.” Kordon, che si è laureato nel 2024, ha successivamente ricevuto il premio per la migliore tesi dal Dipartimento di Biochimica e Biologia Molecolare dell’Università di Chicago per il suo lavoro su questo progetto.
Un nuovo modo di attivare i recettori
Araç ha affermato che ora che hanno una migliore comprensione della struttura degli aGPCR e di come funzionano, possono vedere il potenziale per prenderli di mira con i farmaci allo stesso modo degli altri recettori. I ricercatori potrebbero progettare anticorpi come quelli utilizzati in questo studio per stabilizzarli per l’imaging ma progettati invece per manipolare la loro attività. Poiché gli aGPCR hanno forme e strutture distinte, anche questi anticorpi potrebbero essere molto precisi. Con 33 diversi aGPCR già identificati negli esseri umani, ci sono molte opportunità.
“Questo potrebbe essere il futuro dei GPCR di adesione farmacologica”, ha affermato Araç. “Il vantaggio è che le regioni extracellulari sono molto diverse l’una dall’altra, quindi puoi prenderle di mira con un farmaco che non si lega ad altri recettori e non causa effetti collaterali indesiderati.”
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
