Los científicos del Instituto de Investigación Scripps TSRI han examinado profundamente el corazón de una proteína clave utilizada en el diseño de fármacos y han descubierto características estructurales dinámicas que pueden conducir a nuevas formas de atacar enfermedades. La proteína, llamada receptor de adenosina A2A A2aAR, es miembro de la familia de receptores acoplados a proteínas G GPCR, que son el objetivo de aproximadamente el 40 por ciento de todos los productos farmacéuticos aprobados.
La nueva imagen más detallada del mecanismo de señalización de A2aAR revela partes clave de su funcionamiento interno, incluido un aminoácido que actúa como un "interruptor de palanca" para controlar la señalización a través de la membrana celular.
"Este conocimiento básico es potencialmente útil para mejorar el diseño de fármacos", dice el premio Nobel Kurt Wthrich, PhD, el profesor de Biología Estructural Cecil H. e Ida M. Green en TSRI y autor principal del estudio.
Los hallazgos fueron publicados hoy en la revista Celda .
La técnica de imagen revela cómo la proteína cambia de forma
Todas las células humanas contienen A2aAR y otros GPCR incrustados en su membrana plasmática. Se han descubierto más de 800 GPCR en el cuerpo humano, y cada uno tiene un papel en la regulación de una función corporal. Por ejemplo, A2aAR regula el flujo sanguíneo y la inflamación y medialos efectos de la cafeína. A2aAR también es un objetivo validado para el tratamiento de la enfermedad de Parkinson y un objetivo relativamente nuevo para combatir los cánceres.
"Los GPCR hacen casi todo lo que puedas imaginar", dice Wthrich. "Pero durante mucho tiempo, el diseño de medicamentos se realizó sin saber cómo se veían los GPCR".
Para el nuevo estudio, los investigadores intentaron comprender mejor la relación entre la función A2aAR y los cambios dinámicos en su estructura para ayudar a informar el diseño del medicamento.
La investigación se basó en estudios previos en los que los científicos utilizaron una técnica de imagen llamada cristalografía de rayos X para determinar la estructura tridimensional de A2aAR. Las imágenes mostraron que A2aAR parece una cadena que entrecruza la membrana celular y tiene una abertura en el lado hacia afuerade la célula. La región de la estructura GPCR que sobresale de la membrana interactúa con medicamentos y otras moléculas para enviar señales a las proteínas asociadas dentro de la célula.
Aunque las estructuras cristalinas proporcionaron un perfil clave de la forma del receptor en estados inactivos y activos, no pudieron mostrar movimiento y cambios en la estructura cuando A2aAR se encuentra con nuevos socios vinculantes, como los candidatos farmacéuticos. En resumen, los investigadores en el nuevoEl estudio necesitaba investigar por qué A2aAR funciona de la manera que lo hace.
Para resolver este problema, los investigadores utilizaron una técnica llamada espectroscopía de resonancia magnética nuclear RMN, que crea fuertes campos magnéticos para localizar las posiciones de las sondas en una muestra. Wthrich es líder en el campo de RMN y ganó el Premio Nobel enQuímica en 2002 por el trabajo pionero en RMN para estudiar las estructuras de las moléculas biológicas. Con la RMN, los científicos pueden determinar las estructuras de las proteínas y estudiar sus propiedades dinámicas en solución a temperaturas fisiológicas, la forma en que existen en el cuerpo humano.
En un trabajo encabezado por Matthew Eddy, PhD de TSRI, primer autor del nuevo estudio, los investigadores utilizaron RMN para observar A2aAR en muchas conformaciones diferentes, arrojando luz sobre cómo cambia la forma en la superficie de las células humanas en respuesta a los tratamientos con medicamentos.
Es importante destacar que la RMN permitió al equipo visualizar los cambios en la arquitectura interna de A2aAR. Esto los llevó más allá de los estudios de RMN de soluciones anteriores, que se centraron en la observación técnicamente menos exigente de sondas observables por RMN unidas a partes flexibles de GPCR, ubicadas principalmente encerca de la superficie del receptor. El enfoque en el nuevo estudio permitió a los investigadores seguir los efectos de la unión del fármaco en la superficie extracelular sobre los cambios en la estructura y dinámica de las proteínas en la superficie intracelular, la base estructural de la transferencia de señal, a través del corazóndel GPCR.
Era como si los investigadores hubieran visto un automóvil, y con RMN, finalmente pudieron inspeccionar su motor.
Repensar cómo diseñamos las drogas
Dos detalles en la estructura de A2aAR dieron a los investigadores una idea de cómo los futuros medicamentos podrían manipular el receptor. Un hallazgo clave fue que reemplazar un aminoácido particular en el centro del receptor destruyó la capacidad del receptor para enviar señales a la célula.
"Con este hallazgo, podemos decir 'A-ha! Es este cambio en la estructura lo que mata la actividad de señalización. Tal vez podamos hacer un cambio en un medicamento para superar este límite", dice Wthrich.
Los investigadores también revelaron la actividad de un "interruptor de palanca" en A2aAR. Estudios anteriores sugirieron que uno de los aminoácidos de triptófano en A2aAR se mueve hacia arriba y hacia abajo en concierto con la actividad de A2aAR. Con la RMN, los científicos observaron directamente este triptófano único comocambió las orientaciones en respuesta a diferentes drogas. Los químicos podrían modificar las drogas para manipular este interruptor y controlar la señalización A2aAR.
Los investigadores enfatizan que este nuevo estudio es potencialmente relevante para gran parte de la gran familia de GPCR. De hecho, los detalles estructurales de este estudio podrían aplicarse a más de 600 GPCR "clase A" en nuestros cuerpos.
Además de Wthrich y Eddy, autores del estudio, "Acoplamiento alostérico de unión a fármacos y señalización intracelular en el receptor de adenosina A2a", fueron Tatiana Didenko y Pawel Stanczak del Instituto de Investigación Scripps; Reto Horst del Instituto de Investigación Scripps yPfizer Worldwide Research and Development; Zhan-Guo Gao y Kenneth A. Jacobson de los Institutos Nacionales de Salud; y Ming-Yue Lee, Kyle M. McClary, Gye Won Han, Martin Audet, Kate L. White y Raymond C. Stevens dela Universidad del sur de California.
Este estudio fue apoyado por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud NIH otorga U54 GM094618 y R01GM115825, el Programa de Investigación Intramural del Instituto Nacional de Diabetes y Enfermedades Digestivas y Renales del NIH y la Sociedad Estadounidense del Cáncer.
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Materiales proporcionado por Instituto de Investigación Scripps . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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