Un equipo internacional de investigadores utilizó un láser de rayos X en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía para crear los primeros mapas detallados de dos receptores de melatonina que le indican a nuestros cuerpos cuándo dormir o despertarse y guiar otros procesos biológicos.Una mejor comprensión de cómo funcionan podría permitir a los investigadores diseñar mejores medicamentos para combatir los trastornos del sueño, el cáncer y la diabetes tipo 2. Sus hallazgos se publicaron en dos documentos de hoy en Naturaleza .
El equipo, dirigido por la Universidad del Sur de California, usó rayos X de la fuente de luz coherente Linac LCLS de SLAC para mapear los receptores, MT1 y MT2, unidos a cuatro compuestos diferentes que activan los receptores: un medicamento contra el insomnio, unmedicamento que mezcla melatonina con el antidepresivo serotonina y dos análogos de melatonina.
Descubrieron que ambos receptores de melatonina contienen canales estrechos incrustados en las membranas grasas de las células de nuestros cuerpos. Estos canales solo permiten el paso de la melatonina, que puede existir tanto en el agua como en la grasa, bloqueando la serotonina, que tiene unestructura similar pero solo es feliz en ambientes acuosos. También descubrieron cómo algunos compuestos mucho más grandes solo pueden apuntar a MT1 y no a MT2, a pesar de las similitudes estructurales entre los dos receptores. Esto debería informar el diseño de medicamentos que se dirigen selectivamente a MT1, que hasta ahoraha sido un desafío
"Estos receptores realizan funciones inmensamente importantes en el cuerpo humano y son objetivos importantes de medicamentos de gran interés para la industria farmacéutica", dijo Linda Johansson, una académica postdoctoral en la USC que dirigió el trabajo estructural en MT2. "A través de este trabajo fuimoscapaz de obtener una comprensión muy detallada de cómo la melatonina puede unirse a estos receptores ".
Hora de acostarse
La gente lo hace, los pájaros lo hacen, los peces lo hacen. Casi todos los seres vivos en el reino animal duermen, y por una buena razón.
"Es fundamental que el cerebro descanse y procese y almacene los recuerdos que hemos acumulado durante el día", dijo el coautor Alex Batyuk, científico de SLAC. "La melatonina es la hormona que regula nuestros ciclos de sueño-vigilia".Cuando hay luz, la producción de melatonina se inhibe, pero cuando llega la oscuridad, esa es la señal para que nuestros cerebros se vayan a dormir ".
Los receptores de melatonina pertenecen a un grupo de receptores de membrana llamados receptores acoplados a proteínas G GPCR que regulan casi todos los procesos fisiológicos y sensoriales en el cuerpo humano. MT1 y MT2 se encuentran en muchos lugares del cuerpo, incluido el cerebro,retina, sistema cardiovascular, hígado, riñón, bazo e intestino ..
Estos receptores supervisan nuestros genes del reloj, los cronometradores del reloj interno del cuerpo o el ritmo circadiano. En un mundo perfecto, nuestros relojes internos se sincronizarían con la salida y la puesta del sol. Pero cuando las personas viajan a través de zonas horarias, trabajanturnos nocturnos o pasar demasiado tiempo frente a pantallas u otras fuentes artificiales de luz azul, estos cronometradores se quedan fuera de control.
Controlando el ritmo
Cuando se interrumpen nuestros ritmos circadianos, puede conducir a enfermedades psiquiátricas, metabólicas, oncológicas y muchas otras. MT1 en particular juega un papel importante en el control de estos ritmos, pero el diseño de medicamentos que pueden dirigirse selectivamente a este receptor ha resultado difícil. Muchas personas tomanSuplementos de melatonina de venta libre para combatir problemas de sueño o cambiar sus ritmos circadianos, pero los efectos de estos medicamentos a menudo desaparecen en cuestión de horas.
Al descifrar los planos de estos receptores y mapear cómo los ligandos se unen y los activan, los investigadores abrieron el camino para que otros diseñen medicamentos más seguros, más efectivos y capaces de dirigirse selectivamente a cada receptor.
"Desde el descubrimiento de la melatonina hace 60 años, ha habido muchos descubrimientos históricos que condujeron a este momento", dijo Margarita L. Dubocovich, profesora distinguida de farmacología y toxicología de la Universidad de Buffalo en SUNY, pionera en la identificación de funciones funcionales.A principios de los años 80, los receptores de melatonina proporcionaron una perspectiva externa sobre esta investigación. "A pesar del progreso notable, el descubrimiento de medicamentos selectivos MT1 ha sido difícil de alcanzar para mi equipo e investigadores de todo el mundo. Se abre el esclarecimiento de las estructuras cristalinas para los receptores MT1 y MT2un nuevo y emocionante capítulo para el desarrollo de medicamentos para tratar el sueño o los trastornos del ritmo circadiano que se sabe que causan enfermedades psiquiátricas, metabólicas, oncológicas y muchas otras ".
Recolección de cristales
Para mapear biomoléculas como las proteínas, los investigadores a menudo usan un método llamado cristalografía de rayos X, dispersando los rayos X de las versiones cristalizadas de estas proteínas y usando los patrones que esto crea para obtener una estructura tridimensional. Hasta ahora, el desafío conEl mapeo de los receptores MT1, MT2 y similares fue lo difícil que fue hacer crecer cristales suficientemente grandes para obtener estructuras de alta resolución.
"Con estos receptores de melatonina, realmente tuvimos que hacer un esfuerzo adicional", dijo Benjamin Stauch, quien dirigió el trabajo estructural en MT1. "Muchas personas habían intentado cristalizarlos sin éxito, por lo que tuvimos que ser un poco creativos"."
Una pieza clave de esta investigación fue el método único que los investigadores utilizaron para cultivar sus cristales y recolectar datos de difracción de rayos X de ellos. Para esta investigación, el equipo expresó estos receptores en células de insectos y los extrajo usando detergente.mutaron estos receptores para estabilizarlos, permitiendo la cristalización. Después de purificar los receptores, los colocaron en un gel similar a una membrana, que apoya el crecimiento cristalino directamente del entorno de la membrana. Después de obtener microcristales suspendidos en este gel, utilizaron un inyector especial para crearuna corriente estrecha de cristales que eliminaron con rayos X de LCLS.
"Debido al pequeño tamaño de los cristales, este trabajo solo se pudo hacer en LCLS", dijo Vadim Cherezov, profesor de la USC que supervisó ambos estudios. "Tales cristales pequeños no difractan bien en las fuentes de sincrotrón, ya que sufren rápidamente daño por radiación. Los láseres de rayos X pueden superar el problema del daño por radiación a través del principio de "difracción antes de la destrucción".
Los investigadores recolectaron cientos de miles de imágenes de los rayos X dispersos para descubrir la estructura tridimensional de estos receptores. También probaron los efectos de docenas de mutaciones para profundizar su comprensión de cómo funcionan los receptores.
Además de descubrir pequeños canales de melatonina en los receptores, los investigadores pudieron mapear mutaciones asociadas a la diabetes tipo 2 en el receptor MT2, por primera vez viendo la ubicación exacta de estas mutaciones en el receptor.
Sentar las bases
En estos experimentos, los investigadores solo observaron compuestos que activan los receptores, conocidos como agonistas. Para el seguimiento, esperan mapear los receptores unidos a los antagonistas, que bloquean los receptores. También esperan usar sus técnicas para investigar otrosReceptores GPCR en el cuerpo.
"Como biólogo estructural, fue emocionante ver la estructura de estos receptores por primera vez y analizarlos para comprender cómo estos receptores reconocen selectivamente sus moléculas de señalización", dijo Cherezov. "Hemos sabido de ellos durante décadas, perohasta ahora nadie podía decir cómo se ven realmente. Ahora podemos analizarlos para comprender cómo reconocen moléculas específicas, lo que esperamos sienta las bases para medicamentos mejores y más efectivos ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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