Диабет 2 типа является причиной многих смертей, число которых неуклонно растет. По данным Всемирной организации здравоохранения заболеваемость резко возросла с 108 миллионов случаев в 1980 году до более 400 миллионов в настоящее время. Заболевание возникает тогда, когда нарушается тонкая регуляция содержания в организме глюкозы, являющейся критическим метаболитом, что создает состояние гипергликемии, т.е. повышенного уровня сахара в крови. Со временем это может привести к повреждению сердца, кровеносных сосудов, сетчатки глаз, почек и нервов.
В новом исследовании Вэй Лю и его коллеги из Института Биодизайна Университета штата Аризона присоединились к международной команде, возглавляемой Бейли Ву из Шанхайского Института Материа Медика (SIMM) Китайской Академии Наук для изучения центрального компонента регуляции глюкозы. Их результаты пролили новый свет на структуру рецептора глюкагона, очень перспективную мишень для разработки лекарств от диабета.
«Основной момент в этой статье - теперь у нас есть полноразмерная структура с класса B», - говорит Лю, ссылаясь на специализированный рецептор клеточной поверхности, способный связываться с сигнальными молекулами и влиять на регуляцию сахара в крови.
В дополнение к исследованиям университета штата Аризона учёные из SIMM в сотрудничестве с несколькими группами из Китая (университет ShanghaiTech, Чжэнчжоуский университет и Фуданьский университет), Соединенных Штатов (университет Южной Калифорнии, научно-исследовательский институт Скриппса и консорциум по изучению GPCR), Нидерландов (Амстердамский свободный университет) и Дании (Novo Nordisk) предоставили подробную молекулярную карту полноразмерного человеческого рецептора глюкагона (GCGR) в комплексе с модулятором (NNC0640) и фрагментом антигенсвязывающего антитела (mAb1).
Исследование опубликовано в расширенном онлайн-издании журнала Nature.
Универсальные компоненты
Рецепторы, сопряженные с G-белками (GPCRs), являются специализированными рецепторами на клеточных поверхностях. Они являются своего рода почтовыми ящиками для важных сообщений, которые поступают на внешнюю мембрану в виде связывающих молекул или лигандов, которые влияют на клеточные поведение и регуляцию.
Соединение лиганда с рецептором изменяет конформацию последнего и отправляет сообщения во внутреннее пространство клетки, управляя функцией клетки. Фармацевтические компании надеются разработать новые лекарства, которые могут более точно и эффективно связываться с клеточными рецепторами, в том числе лекарства от диабета, которые смогут остановить или уменьшить перепроизводство глюкозы.
Детальная структура рецептора глюкагона (GCGR) была исследована с использованием метода рентгеновской кристаллографии. Здесь кристаллизированный белок поражается рентгеновским излучением, формирующим дифракционную картину, которая может быть повторно собрана в чрезвычайно детализированную картину образца рецептора. Такая информация имеет жизненно важное значение для разработки эффективных лекарств, которые должны с высокой специфичностью связываться с их комплексными рецепторами клеток-мишеней.
Связывание специфического лиганда с рецептором глюкагона вызывает высвобождение глюкозы из печени во время голодания, делая этот рецептор критическим компонентом для поддержания нормальных уровней глюкозы в организме.
GPCRs класса B необходимы для многочисленных физиологических процессов и служат важными целевыми мишенями для лекарств от многих заболеваний человека, таких как диабет типа 2, метаболический синдром, остеопороз, мигрень, депрессия и тревога. По словам руководителя группы и профессора из SIMM д-ра Бейли Ву: «структура GCGR дает четкую картину полноразмерного GPCR класса B с высоким разрешением и помогает нам понять, как различные домены взаимодействуют в модуляции рецепторной функции на молекулярном уровне".
Рецептор GCGR состоит из трех главных компонентов: внеклеточного домена (ECD), который выступает над поверхностью клетки, трансмембранный домен (TCD), который прикрепляется к самой клеточной мембране и домен, известный как стебель, который соединяет два предыдущих домена и действует как своего рода центр. (Рис.1 показывает основную структуру рецептора GCGR, состоящую из внеклеточного домена, области стебля и трансмембранного участка. Также изображено связывающее антитело mAb23).
Результаты нового исследования важны, потому что все три части рецептора необходимы для его способности правильно связываться с молекулами таргетных препаратов. “Ранее мы исследовали структуру этого GPCR, но мы отсекли весь внеклеточный домен, который является критической частью для связывания лиганда. Кроме того, хотя область стебля содержит всего 12 аминокислот, она важна для активации и дезактивации рецептора GCGR” , - говорит Лю.
Повесть о двух гормонах
Правильное регулирование уровня сахара в крови зависит от двух ключевых гормонов, которые вместе действуют как своего рода термостат. Когда уровень сахара в крови повышается выше нормального порога, островковыми клетками поджелудочной железы вырабатывается инсулин, который понижает уровень сахара в крови.
Но возникает еще больший риск для организма, если уровень сахара в крови значительно снижается. Низкий уровень сахара в крови может быть смертельным, поскольку глюкоза является важнейшим метаболитом мозга, необходимым для выживания. В условиях гипогликемии другой гормон, известный как глюкагон, продуцируется поджелудочными α-клетками. Глюкагон действует как главный антагонистичный гормон инсулина, включая производство глюкозы в печени во время голодания. Глюкагон влияет на ткани-мишени через активацию рецептора GCGR.
При диабете 2 типа наблюдается невосприимчивость клеток к действию инсулина (в дальнейшем его продукция нарушается), и это приводит к гипергликемии. Поэтому лечение болезни с помощью введения инсулина было терапией выбора для большинства пациентов. Но диабет также влияет на продуцирование глюкагона путем регуляции рецептора GCGR, вызывая перепроизводство глюкозы. Сочетание дефицита инсулина и избытка глюкозы является типичным для диабета II типа и требует многоцелевого подхода к решению этой болезни.
Идея использования рецептора GCGR как цели для таргетной терапии, способной связываться с ним и отключать его, давно предложена, и эксперименты на крысах показывают, что такой подход является обоснованным, однако необходимо продолжать исследования, чтобы добиться такого же успеха у людей. Теперь, имея представление о полной структуре рецептора, фармацевтические компании готовы разработать гораздо более эффективные лекарства, которые специально нацелены на производство глюкозы, избегая при этом нежелательных побочных эффектов.
Лучшая рецепция/лучшее восприятие
Рецептор глюкагона, рассмотренный в новом исследовании, является лишь одним из членов надсемейства поверхностных клеточных рецепторов GPCR. GPCRs являются самой большой и самой разнообразной группой мембранных рецепторов у эукариот. Сигналы, которые могут быть обнаружены GPCRs, включают свет, пептиды, липиды, сахара и белки.
GPCRs выполняют широкий спектр функций в организме человека, и их роль в современной медицине огромна. Исследователи считают, что от одной трети до половины всех продаваемых препаратов действуют путем связывания с GPCRs, и около 4 процентов всего генома человека посвящено кодированию этих структур.
Хотя GPCRs связываются с разнообразными сигнальными молекулами, они имеют общую архитектуру, которая была сохранена в ходе эволюции. Животные, растения, грибы и простейшие – все полагаются на GPCRs для получения информации из своей среды. Активация GPCRs связана с ощущениями, ростом, гормональным ответом и множеством других жизненно важных функций.
Группа использовала антитело для стабилизации домена ECD, что сделало рецептор менее динамичным и более подходящим для кристаллизации, заблокировав его в определенной конформации, в которой домены ECD, TMD и стеблевой домен удерживаются в определенной ориентации. Полученная в результате структура полной длины, экспонированная рентгеновской кристаллографией, значительно отличалась от предыдущих предположений формы рецептора на основе моделирования. Антитела, подобные используемым в новом исследовании, рассматриваются как возможные лиганды для связывания с GCGP-рецептором, тем самым контролируя диабет.
«Теперь мы знаем, как ECD взаимодействует с лигандом, поэтому для развития лекарств есть гораздо более перспективное направление», - говорит Лю. В дополнение к изучению структуры рецептора Лю и его коллеги из ASU проделали работу по подготовке образцов, сбору данных и их анализу.
Ряд крупных фармацевтических компаний (включая Novo Nordisk, которые поставляли экспериментальные связующие составы, используемые в исследовании) теперь активно развивает и выпускает новые методы лечения диабета на основе детальных структур GPCR.