Разница между психическим здоровьем и психическим заболеванием может вызвать изменения в клетках мозга и их связях, которые почти непостижимо малы, по крайней мере, с физической точки зрения. Эта ирония раскрывается с помощью рентгеновской кристаллографии, метода, который позволяет нейробиологам нанести на карту структуру белков мозга атом за атомом, используя высокоэнергетические рентгеновские лучи.
В исследовании, опубликованном сегодня в Neuron, команда из лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL) впервые раскрывает структуру части важного рецептора клеток мозга, называемого рецептором NMDA (N-метил D-аспартат). Недавно отображенная часть рецептора NMDA отвечает за распознавание цинка, элемента, распространенного во всем мозге, который может ингибировать класс рецепторов NMDA.
Большие по размеру по сравнению со многими другими белками, рецепторы NMDA имеют форму воздушных шаров, которые проникают через поверхностную мембрану нейронов в головном мозге, которые получают глутамат, наиболее распространенный возбуждающий нейротрансмиттер.
Рецепторы NMDA активируются, когда молекула глутамата стыкуется с участком рецептора, приводя в движение сложную серию изменений. Но это только часть того, что происходит. Наряду с глутаматом некоторые наборы нейронов совместно высвобождают цинк, который также может взаимодействовать с рецепторами NMDA, играя важную роль в контроле нейрональной передачи сигналов. Связывание цинка с рецепторами NMDA также является важным фактором в передаче болевых ощущений.
Точная структура рецептора NMDA имеет решающее значение в текущих усилиях по разработке новых и более эффективных лекарств для лечения множества психических расстройств. Сверхактивные рецепторы NMDA связаны с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера. Снижение активности рецепторов NMDA может быть фактором шизофрении. Рецепторы также участвуют в депрессии, эпилепсии и других заболеваниях.
Различные участки, называемые доменами, гигантского белка NMDA вовлечены в эти различные заболевания, и они объединены в четыре основные комбинации или подтипы. Подтипы, обозначаемые буквами A, B, C и D, имеют определенные функции и появляются в разное время в жизни и в разных местах мозга. Конкретное нацеливание на эти подтипы важно в усилиях по минимизации побочных эффектов новых лекарств от заболеваний головного мозга, которые сейчас проходят лабораторные и клинические испытания.
Подтип, выявленный в новом исследовании, проведенном доцентом CSHL Хиро Фурукавой, – это "А" форма рецептора NMDA. Команда картировала аминоконцевой домен (ATD), один из четырех доменов субъединицы GluN2A рецептора. ATD – самая внешняя часть структуры NMDA, выходящая во внеклеточное пространство, – изображена командой в виде комплекса с цинком. [см. иллюстрацию]
Снимки команды в высоком разрешении "А" Тип рецептора NMDA является результатом 3-летней работы Аннабель Ромеро-Эрнандес, талантливой аспирантки лаборатории Фурукавы, обучающейся в Школе биологических наук Уотсона. "Новые красивые фотографии Аннабель важны по нескольким причинам," говорит Фурукава. "Они позволили нам решить две головоломки, обе из которых были подняты ранее сделанными нами изображениями рецептора типа «B». Во-первых, почему цинк гораздо легче связывается с формой «А» по сравнению с формой «В», которая практически идентична по структуре?? И, во-вторых, почему важный лекарственный препарат-кандидат ифенпродил связывается на участке формы «В», но не на участке формы «А»??"
Что новые изображения показывают о цинковом связующем
Фурукава и Ромеро-Эрнандес были заинтригованы взаимодействием молекулы цинка с A-формой рецептора отчасти из-за открытий в последние годы, касающихся изобилия цинка и его важной роли в мозге млекопитающих. Когда передающий сообщение рецептор NMDA высвобождает глутамат, он совместно высвобождает цинк, который взаимодействует с рецептором в альтернативном сайте связывания, называемом аллостерическим сайтом. В уже нанесенной на карту «B» форме рецептора должны были присутствовать сравнительно большие количества цинка, чтобы произошло связывание; и связывание оказалось физически слабым.
Новые изображения А-формы рецептора показывают, почему для достижения связывания требуется гораздо меньше цинка, и объясняют, почему связывание является гораздо более надежным. Цинк проскальзывает в шарнирную точку сборки в виде ракушки в ATD, и разрешение на атомном уровне показывает, что в форме A он прочно удерживается на месте связями, образованными четырьмя окружающими молекулами аминокислот. В ранее полученных представлениях о форме ‘B’ только две такие аминокислоты лежат в сопоставимом месте в структуре ATD. Разница в сродстве связывания, говорит Фурукава, "похожа на разницу между двумя руками, удерживающими объект, и. четыре руки." [см. иллюстрацию]
Влияние цинка на функцию гораздо более крупного полноценного рецептора NMDA является глубоким: его связывание с ATD является регулятором центрального канала рецептора, который соединяет внешнюю среду с внутренней частью клетки. Цинк подавляет ионный канал, побуждая его закрыться – гораздо сильнее в типе «A», чем в типе «B». "Связывание цинка – одно из средств, с помощью которых рецепторы NMDA регулируют себя," говорит доктор. Ромеро-Эрнандес. Такое саморегулирование важно, отмечает она, учитывая, что "когда вы чрезмерно активируете эти рецепторы, последствия могут быть нейродегенеративными."
Ионный канал рецептора открывается и закрывается очень быстро – от десятых до сотых долей секунды – пока мозг выполняет свои сложные операции. Вне зависимости от того, подавляется ли он цинком или возбуждается глутаматом или другими партнерами по связыванию, результат является значительным, учитываемым на уровне целых областей мозга.
Карман для связывания лекарств, который "рушится"
Такое же картирование ATD в форме A рецептора NMDA также решило вопрос о том, может ли ифенпродил связываться с аллостерическим сайтом в ATD, четко идентифицированным в предыдущей лабораторной работе над формой B (для изображения лекарство в его связующем кармане, см. http: // www.cshl.edu / images / stories / news_features / harbor_transcript / HT2013_summer / One_experiment.pdf).
Новые фотографии, полученные Фурукавой и Ромеро-Эрнандес, ясно показывают, что в форме «А», "карман для переплета, который был таким большим в форме буквы «B», теперь превратился в гораздо меньшее пространство," говорит Фурукава. "Теперь мы понимаем структурно, почему препарат не может связываться в форме «А»." Это может иметь решающее значение для разработчиков лекарств, поскольку чем конкретнее лекарство, тем меньше вероятность того, что оно будет иметь нежелательные побочные эффекты.
В связи с недавними исследованиями, демонстрирующими почти магическую силу препарата кетамин – ингибитора NMDA – для облегчения наихудших форм невосприимчивой большой депрессии у некоторых пациентов, существует большой интерес к поиску механизмов, лежащих в основе заболевания, которые не связаны с нейротрансмиттером серотонином. Так называемые антидепрессанты СИОЗС (препараты класса Прозак) принимают десятки миллионов человек, многим из которых это не помогает. Фурукава говорит, что его работа над рецептором NMDA частично направлена на изучение альтернативных гипотез причин депрессии, включающих NMDA или глутамат-опосредованные дисфункции. Его лаборатория занимается структурными исследованиями, а также изучает сигнальные пути внутри нейронов, активируемые взаимодействием рецепторов, таких как рецептор NMDA, с окружающей средой за пределами клеточной мембраны.