Leser der Spitzenwissenschaftlichen zeitschriften Wissenschaft und Natur beachtet möglicherweise eine neue Welle von Artikeln, kürzlich im Punkt Am 13. Juli 2012 der Wissenschaft, mit tiefer Bedeutung für Biologie und Medizin. Diese Papiere, alles veröffentlicht dieses Jahr durch die Zusammenarbeiten, die durch das Scripps-Forschungsinstitutlabor von Professor Raymond Stevens vorangegangen werden, leuchten eine große und medizinisch wichtige Familie von den Proteinen, die G Protein-verbundene Empfänger genannt werden (GPCRs).
GPCRs sitzen in der Zellmembran und ermittlen verschiedene Moleküle außerhalb der Zelle, einschließlich Gerüche, Hormone, Neurotransmitter und Leuchte. Nachdem diese Moleküle, GPCRs-Abzug eine spezifische Antwort innerhalb der Zelle gebunden worden sind. Viele Drogen, einschließlich Allergie und Innermedikation und -drogen für Parkinson und Chorea Huntington, visieren diese Proteine an.
Dieses Jahr, wurde ein Papier, das Am 19. Januar veröffentlicht wurde (Liu et al., Wissenschaft, 335, 1106) schnell von in Verbindung stehenden Veröffentlichungen auf den Kristallstrukturen eines Lipids GPCR (Hanson et al., Wissenschaft, 335, 851, Am 17. Februar), des Kappa Opioidempfängers (Wu et al., Natur, 485, 327, Am 21. März) und des nociceptin Opioidempfängers gefolgt (Thompson et al., Natur, 485, 395, Am 17. Mai). Die neueste Veröffentlichung ist auf der hochauflösenden Zelle mit 1,8 Ångström des A2A-Adenosinempfängers (Liu et al., Wissenschaft, 336, 232, Am 13. Juli) und ist eine der höchsten Auflösungszellen bis jetzt eines menschlichen Membranproteins. Die Zelle markiert den Empfänger und den Ligand als allosterische Maschine, die durch Natrium, Wasser, Cholesterin und Lipide esteuert ist.
Diese Ergebnisse wurden durch die Technologien ermöglicht, die durch die Öffentliches Geld-Gelenk-Mitte NIH für Innovative Membran-Technologien (JCIMPT) entwickelt wurden und die biologischen Fragen, die durch das GPCR-Netz, Teil der Protein-Zellen-Initiative ausgeübt wurden: Biologie am Nationalen Institut für Allgemeine Heilkunden (NIGMS) in Bethesda, Maryland (NIGMS P/IN: Biologie).
Ausweichendes GPCRs
Die genaue, dreidimensionale Anordnung für seine konstituierenden Atome ist irgendwie das entscheidende Geheimnis eines Proteins. Weit mehr als seine Aminosäuresequenz, die Zelle 3D hält die Taste zum Verständnis an, wie ein Protein mit seinen natürlichen Partnermolekülen im Gehäuse oder auf Drogenmoleküle einwirkt.
Aber Membranproteinzellen sind so schwer zu bestimmen, wie sie wertvoll sind, und die wichtigsten Zellen, viele von ihnen GPCRs, sind häufig das ausweichendste gewesen. GPCRs sind außerordentlich schwache, zerbrechliche Proteine, wenn es nicht innerhalb ihrer Stammzellemembranen verankert wird. Sie Zu Überreden, um auszurichten, um Kristalle zu bilden, damit ihre Zellen durch Röntgenstrahlkristallographie entschlossen sein können, ist eine beeindruckende Herausforderung für Jahrzehnte gewesen. Aus diesem Grund markierte das Öffentliche Geld NIH Membranproteinausdruck- und -stabilisierungstechnologien als Prioritätsbereich der Innovation und der Investition im Jahre 2004.
Die erste hochauflösende Zelle des Menschen GPCR, die bestimmt wurde, war der adrenergische Empfänger β2, veröffentlicht durch Stevens Labor und das Labor von Stanfords Brian Kobilka im Jahre 2007. In den folgenden drei Jahren strukturiert nur vier weiteres GPCR gemacht es in Literatur-und die Zellen von mehreren hundert finden, schien anderes medizinisch relevantes GPCRs im menschlichen proteome eine Aufgabe für zukünftige Generationen.
Jetzt gibt es viel mehr Optimismus. „Rays Netz visiert GPCRs auf solch eine Art hinsichtlich erhalten Repräsentativzellen von den verschiedenen GPCR-Zellengruppierungen an, und für diese werden wir vermutlich nur ungefähr 100 Zellen benötigen,“ sagte Bryan Roth, ein Pharmakologe an der Universität des North Carolina, dessen Labor mit dem GPCR-Netz zusammenarbeitete, um den Kappa Opioid und die nociceptin Empfängerzellen zu finden. „Die Gemeinschaft benötigt möglicherweise nur einige mehr Jahre zu tun, dass und selbstverständlich, bereits wir Zellen für bedeutende GPCR-Drogenziele, wie Opioidempfänger finden, die große Auswirkungen auf zukünftige Drogenentwicklung haben werden.“
Die Technischen Durchbrüche
Was war der Spiel-ändernde technische Durchbruch?
„Mich werde immer gefragt, dass Frage,“ sagte Stevens, „und die Antwort ist, dass es nicht gerade einen Durchbruch gab, dort waren ungefähr 15 verschiedene Entwicklungen, jede, die kritisch im Verbindung mit gegenseitig benötigt wird, und sie kamen zusammen nach einer langen Zeit. Diese sind die Ergebnisse 20 Jahre der Verpflichtung durch einige internationale Gruppen, die vorwärts den Bereich und die schwierige Entscheidung durch das Öffentliche Geld NIH verschieben, sich auf Membranprotein-Technologieentwicklung als Prioritätsbereich der Bedeutung und der Investition für alle NIH-Institute zu konzentrieren.“
Einige dieser Durchbrüche haben die Fähigkeit der Forscher verbessert, GPCRs in den Mengen zu produzieren und zu reinigen, die für Kristallisation-ein Prozess genügend sind, der Urananreicherung entsprechend ist. Andere Durchbrüche sind GPCRs stabilisierend angestrebt worden, dessen Kernzelle sieben membrangebundene schraubenartige Elemente besteht. „Wenn Sie die Membran wegnehmen, haben diese Helixe das Potenzial, auseinander zu fallen,“ sagte Stevens. „Es ist möglich, dass Mensch GPCRs entwickelt, um als Teil ihrer natürlichen Funktion instabil zu sein, über Stimulierung oder Signalisieren zu vermeiden.“
In den letzten acht Jahren haben Forscher mit Finanzierung vom Öffentlichen Geld NIH sich und verbesserte Stabilisierungs- und Kristallisationstechniken mit drei Schlüssel-GPCR entwickelt: der Gebrauch der Fusionsproteine, die die grundlegende GPCR-Zelle stabilisieren und sie kristallisierbarer machen, ohne seine Funktion (Chun et al., Zelle, 20, 967, 2012) zu beeinflussen; der Gebrauch der Drogenmittel, die an ein GPCR binden und es in einer spezifischen Funktionsanpassung anhalten (Xu et al., Wissenschaft, 332, 322, 2011); und der Gebrauch von einer Membran-Nachahmungsgrundmasse des Fettes und der Wassermoleküle, gerufen die lipidic Kubikphase (LCP), in der GPCRs, Cholesterin und Ligands Kristalle betriebsbereiter bilden können als sie, tun in den traditionellen reinigenden Lösungen.
Verbesserungen in diesen Techniken sind gekommen, indem sie das LCP-Hilfsmittelset automatisierten und erweiterten. Stevens und Assistenzprofessor Vadim Cherezov aufgebaut auf der LCP-Arbeit des strukturellen Biologen Martin D. Caffrey am Dreiheits-College Dublin, des Ehud-Landauers an der Universität von Zürich und des Jurg Rosenbusch beim Biozentrum in Basel, die Schweiz. „Stevens und Cherezov brachten wirklich den Zugriff voran und allgemeinerer Gebrauch LCP für die Kristallisierung von Membranproteinen,“ sagte Jean Chin, der NIH-Programmdirektor für das Öffentliche Geld JCIMPT und das GPCR-Netz.
„Die Gruppe entwickelte auch Vorkristallisierungsscreeninghilfsmittel, zukünftige Kristallisationsrobotik, Bildgebungstechnologien und Funktion mit Personal an GM-/CAbeamlines an der Hoch entwickelten Photon-Quelle (APS), um Technologie zu entwickeln, um das LCP zu scannen, um die Beugung zu lokalisieren, in der die Kristalle sind,“ sagte Bezirk Smith, Direktor des P/IN: Biologieprogramm, das zusammen mit dem Öffentlichen Geld NIH Finanzierung für die Arbeit zur Verfügung gestellt hat.
Wenn GPCR-Kristalle gebildet worden und getrennt worden sind, werden sie zu einem speziellen Röntgenstrahlkristallographie Teildienst-häufig die Hoch entwickelte Photon-Quelle an Argonne-Nationalem Laboratorium in Argonne, Illinois geschickt. „Bei Argonne sind sie in der Lage gewesen, den Röntgenstrahlträger kleiner und kleiner im Laufe der Jahre zu erhalten,“ sagte Stevens, „und das beamline Team an GMCA, das durch Janet Smith, Robert Fischetti und Nukri Sanishvili geführt wird, sind dem Bedarf unserer Forschung unglaublich kreativ und entgegenkommend gewesen, indem es solche neuen Technologien entwickelte, die der rastering Anflug, zum von Mikrokristallen im kleinen Röntgenstrahlträger mit unseren Proben als gerade ein Beispiel zu finden.“
Sein von Sinnvoll der Daten
Selbst wenn die Kristallstruktur eines GPCR gelöst worden ist, ist Wissenschaftlerbedarf, weitere Analysen zu tun, um vollen Gebrauch von der Strukturdaten- und Empfängerdynamik zu machen zu ihrer Funktion zentral. GPCRs Funktion gewöhnlich im Teil durch das Binden an Partner „Ligand“ Moleküle, die außerhalb der Zelle anwesend sind; dieses verbindliche Ereignis initialisiert vielleicht ein biochemisches Signal innerhalb der Zelle.
An Scripps-Forschung wendet das Labor von Kurt W-thrich, der Nobelpreisträger und der Cecil H. und IDA M. Green Professor der Strukturellen Biologie, magnetische Resonanz- (NMR) Kerntechniken an, um zu bestimmen, wie angleichbares Gleichgewicht und intramolekulare Kinetikprozesse in GPCRs zu ihren Schwergängigkeits- und Signalisierenfunktionen beitragen. „Mein Labor hat für Jahre mit Ray gearbeitet und unsere NMRsachkenntnis mit ihrer Kristallographiesachkenntnis kombiniert,“ sagte W-thrich.