Vědci mapují krok za krokem aktivace mozkových receptorů

Pokud jde o mozkové proteiny, malé změny mohou mít dramatický rozdíl. Vědci studující receptory NMDA (N-methyl-d-aspartát), které jsou nezbytné pro učení, paměť a moment-moment vědomí, vědí, že i malé změny v jejich úrovni aktivity mohou znamenat rozdíl mezi normální funkcí a závažnými neurologickými poruchami.

Nyní univerzita v Buffalo vědci v dlouhodobé spolupráci s vědci ve Vollum Institute zachytila ​​poprvé a ve vynikajících detailních obrázcích receptorů v plně otevřené konformaci. Článek také popisuje poprvé sekvenci strukturálních změn, které transformují receptory z tichého na plně aktivní.

Publikováno dnes v Pokroky vědyPráce týmu rozšiřuje pochopení toho, jak fungují receptory NMDA a jak jejich porucha přispívá k nemoci.

Gabriela Popescu, PhD, profesorka biochemie na Jacobs School of Medicine and Biomedical Sciences na UB, je odpovídajícím autorem v článku s Ericem Gouauxem, PhD a Farzad Jalali-Yazdi, vědci Vollum Institute na Oregon Health & Science University. Hlavní autoři jsou Jamie A. Abbott, PhD, vědec na katedře biochemie v UB a Junhoe Kim, PhD, postdoktorand ve Vollum Institute. Beiying Liu, PhD, je spoluautorem v oddělení biochemie UB.

Popescu strávila svou kariéru studováním biofyzikálních vlastností receptorů NMDA, které vytvářejí elektrický proud v reakci na vazebný glutamát a pomáhají neurony komunikovat.

Proč dochází k neurodegeneraci

Receptory NMDA jsou klíčem k probíhající mozkové aktivitě, ale když jsou nevhodně aktivní, zabíjejí neurony, jako například po traumatickém poškození mozku, po mrtvici nebo během progresivní neurodegenerativní onemocnění, jako je Parkinsonova choroba a Alzheimerova choroba. “

Gabriela Popescu, PhD, profesorka biochemie, Jacobs School of Medicine a Biomedical Sciences v UB

Z tohoto důvodu se Popescu a její kolegové zaměřili na pokus o porozumění a sledování sekvence událostí, které transformují klidové, neaktivní receptory na aktivní receptory vytvářející elektřinu. Klíčovou součástí sestavení této sekvence vyžaduje získání obrázků receptorů v různých funkčních stavech, aby se zjistila, která části mění polohu během aktivace, což umožňuje přechod. Zatímco předchozí výzkum uvádí struktury atomového rozlišení pro receptory v klidovém stavu, Popescu říká, že struktury pro aktivní receptory otevřené póry zůstaly nepolapitelné.

Kinks v helixách

Vědci použili kryogenní elektronovou mikroskopii (Cryo-EM), která zahrnuje vzorky receptorů zmrazení záblesku, a poté je zkoumají elektronovým paprskem, aby získali 3D zobrazení. Výsledkem je vůbec první obraz s vysokým rozlišením stabilního otevřeného NMDA receptoru. Na rozdíl od receptorů s uzavřeným pórem, ve kterých jsou čtyři spirálové struktury pórů nebo helixy rovné, vědci zjistili, že když se pór otevře, helixy jsou ohnuté nebo zazněny.

Nebylo to to, co očekávali. „Mysleli jsme si, že kanál se otevírá jednoduše tím, že se budeme od sebe vzdát čtyři šroubové pruty, které zabraňují iontovému toku, aby rozšířily ústa pórů,“ říká Popescu. „Místo toho jsme viděli, že všechny čtyři tyče jsou zazněny ven a stabilizovány v této roztroušené konformaci novými kontakty se vzdálenými částmi molekuly.“

Vysvětluje každý zlom, představuje oblast zájmu o receptor. „Identita aminokyseliny v této poloze je nezbytná, protože musí umožnit zalomení,“ říká. „Bez obrazu, aniž bychom věděli, že se helix musí ohýbat, bychom nechápali, proč je tento konkrétní zbytek důležitý.“

Nová pozorování pomohou vědcům zjistit proces krok za krokem, kterým se otevírá póry receptoru; Poskytují také vhled, do kterých mohou roli hrát i jiné části receptoru. Existuje mnoho pacientů, popescu noty, s jednobodovými mutacemi v DNA kódujícím tento receptor. Bod mutace je změna jedné aminokyseliny ve struktuře receptoru. „Nová informace nám pomáhá lépe porozumět tomu, co tyto aminokyselinové zbytky dělají, proč jsou důležité a co se pokazí, když se změní,“ dodává.

Zjištění struktury-funkce

Vědci také odhalují první mechanismus aktivace receptoru NMDA integrující funkční důkazy získané v Popescuově laboratoři z elektrofyziologických záznamů s jednou molekulou se strukturálními důkazy od kryo-EM v laboratoři ko-seniorského autora Erica Gouauxe, PhD, PhD, senior vědec na institutu Vollum.

„Před touto studií jsme věděli, že receptor musí několikrát změnit svou strukturu na přechod z odpočinku na otevřené otevření,“ říká Popescu. „Strukturální studie samostatně vytvořily obrázky receptorů, které vypadaly trochu jinak, ale protože jsme nevěděli, jak vypadal konečný otevřený stav, nemohli jsme uspořádat obrázky ve správné sekvenci.“

Popescu je nyní schopen připojit nové obrazy receptoru s předchozími zjištěními o rychlosti, s jakou receptory mění konformaci, aby dokončily aktivační cyklus. Vědět, jak se receptor dívá v každém bodě sekvence, pomáhá izolovat, které regiony hrají klíčovou roli při přechodu a proč a jak se drogy vážou na tyto oblasti, a také proč mutace v těchto regionech způsobují onemocnění.

„Práce, kterou moje laboratoř provedla za posledních 20 let, nám může říct, jak drogy nebo mutace mění proud, který glutamát vyvolává, když se váže na receptor NMDA,“ říká. „Nakonec intenzita, trvání a frekvence tohoto proudu – malé elektrické signály, které tyto receptory produkují – určují, jak neurony komunikují a zda naše myšlenky, pocity a emoce odrážejí realitu způsobem, který nám pomáhá přežít ve složitém světě. Nové výsledky nám ukazují, proč drogy a mutace mění proud a mohou nás ukazovat na způsoby, jak obnovit normální funkci.“

Práce byla financována Národními ústavy zdraví.