Серотонин является важным нейротрансмиттером и участвует в регуляции многих функций организма, таких как артериальное давление, пищеварение и внутриглазное давление, а также настроение, аппетит и зависимость. Это делает рецептор серотонина важной мишенью для лекарств.
Знание его молекулярной структуры может позволить разработать индивидуальные лекарства, которые подходят рецептору, как ключ в замке.
«Ученые десятилетиями пытались расшифровать структуру рецептора серотонина», — сказал соавтор Корнелиус Гати из проф. Генри Чепмен´s группа в Гамбургском центре лазерных исследований на свободных электронах CFEL, сотрудничество DESY, Гамбургского университета и Общества Макса Планка. Но только в этом году группе, в которую входил Черезов, удалось расшифровать структуру рецептора в классическом кристаллографическом анализе на так называемом синхротронном источнике света.
Для такого рода исследований биомолекулы обычно необходимо кристаллизовать. Это может быть очень сложно, а иногда даже невозможно сделать с группой молекул, называемых мембранными белками, к которым принадлежит рецептор серотонина. После выращивания кристаллы подвергаются шоковой заморозке и освещаются рентгеновскими лучами от синхротронного источника света.
Рентгеновские лучи создают характерные дифракционные картины, по которым можно рассчитать структуру образца.
Для нового исследования команда использовала самый мощный в мире рентгеновский лазер, линейный когерентный источник света в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Менло-Парке, Калифорния. LCLS генерирует 120 интенсивных рентгеновских вспышек в секунду, каждая в миллиард раз ярче, чем обычный синхротрон. Эти яркие вспышки позволяют анализировать даже самые маленькие кристаллы.
Кристаллы не нужно замораживать, так как они испаряются яркой вспышкой. Но прежде чем они распадутся, их внутренняя структура может быть записана с гораздо большей точностью, чем это возможно с помощью синхротрона. «Импульсы рентгеновского лазера имеют длительность менее 30 фемтосекунд, время, необходимое для прохождения света, составляет всего 10 микрометров, что меньше ширины человеческого волоса», — пояснил Чепмен. "Каждая невероятно короткая, но мощная вспышка рентгеновского излучения буквально опережает любое повреждение или разрушение кристалла этим излучением, давая нам четкую и первозданную структурную информацию."
«Структуры при комнатной температуре должны лучше отражать конформационные состояния белков в их естественной среде и могут служить лучшими шаблонами для разработки лекарств на основе структуры», — сказал Черезов.
Для исследования с помощью рентгеновского лазера исследователи вырастили крошечные кристаллы рецептора серотонина с присоединенной молекулой эрготамина, который является лекарством от мигрени, нацеленным на этот рецептор. Чтобы преодолеть трудности кристаллизации, исследователи использовали искусственную среду клеточной мембраны, называемую кубической липидной фазой, LCP, которая, по крайней мере, позволяла выращивать микрокристаллы. Но LCP более вязкий, чем зубная паста, и его нельзя распылять в рентгеновском луче, как жидкую суспензию.
Вот почему команда из Университета штата Аризона разработала индивидуальный инжектор, способный выпускать устойчивый, но крошечный поток LCP через путь рентгеновского излучения.
«Инжектор для зубной пасты, разработанный проф. Уве Вейершталь из Университета штата Аризона может контролировать скорость потока и регулировать ее таким образом, чтобы между импульсами LCLS было минимальное количество кристаллов, уменьшая количество кристаллов, требуемых для сбора данных, в сотни или тысячи раз по сравнению с жидкостными инжекторами. "сказал Черезов.
Это позволило собрать более 150000 шаблонов из отдельных кристаллов, которые постоянно пополнялись инжектором. Гати обработал огромный объем данных с помощью программного обеспечения под названием CrystFEL, специально созданного для этого метода.
Группа исследователей сравнила данные о структуре, полученные от рентгеновского лазера, со структурой, полученной на синхротроне. «Одним из наиболее важных результатов этой работы является то, что структура, полученная в LCLS, почти идентична структуре, полученной с помощью традиционной кристаллографии, несмотря на тот факт, что данные LCLS были собраны для кристаллов, в 100 раз меньших по объему и при комнатной температуре», Черезов подчеркнул.
Различия в двух анализах структур частично объясняются тем фактом, что при криогенных температурах некоторые гибкие петли рецептора кажутся более жесткими, чем при комнатной температуре. Динамика петель важна для связывания сигнальных молекул внутри и вне клетки.
Исследование открывает новые аналитические методы для целого класса биомолекул. Рецептор серотонина принадлежит к большой группе, называемой рецепторами, связанными с G-белком, или GPCR.
Эта группа из около 800 рецепторов играет центральную роль в передаче сигналов из окружающей среды в клетку и представляет большой интерес для разработки лекарств. Примерно от 30 до 40 процентов всех рецептурных препаратов нацелены на GPCR.
«Это первая кристаллическая структура белка мембраны человека при комнатной температуре», — сказал Гати. «Наша работа показывает, что можно анализировать микрокристаллы биомолекул при комнатной температуре, что приводит к более реалистичным результатам. Это может позволить оптимизировать разработку лекарственного средства, поскольку более заметна динамика рецептора."
По этому же пути идет Гамбургский центр сверхбыстрой визуализации CUI в кампусе DESY, с которым также связаны Гати и Чепмен, и который частично поддержал эту работу. CUI — результат сотрудничества DESY, Гамбургского университета, Общества Макса Планка, Европейской микробиологической лаборатории и Европейского XFEL.