Terobosan Teknik Pencitraan Mengungkapkan Target Obat Baru yang Menjanjikan
Peneliti di Universitas Chicago telah berhasil menangkap gambar detail reseptor berpasangan protein G adhesi, bersama dengan metode alternatif untuk mengaktifkannya. Terobosan ini membuka jalan bagi peluang desain obat yang inovatif.
Hampir 35% obat yang disetujui oleh Food and Drug Administration (FDA) menargetkan reseptor berpasangan protein G (GPCR), sekelompok protein yang tertanam dalam membran sel yang memungkinkan sel berkomunikasi. Di antaranya, reseptor berpasangan protein G adhesi (aGPCRs) merupakan keluarga terbesar kedua pada manusia. Sesuai dengan namanya, aGPCR memfasilitasi adhesi sel, atau kemampuan sel untuk saling menempel, sekaligus mengirimkan sinyal ke dalam tubuh.
aGPCR memainkan peran penting dalam proses seperti pertumbuhan jaringan, fungsi sistem kekebalan, dan perkembangan organ. Namun gangguan pada fungsinya dapat menyebabkan kondisi serius seperti kanker, gangguan saraf, dan kelainan pertumbuhan. Meskipun signifikansinya, belum ada obat yang disetujui untuk menargetkan aGPCR. Hal ini terutama disebabkan karena reseptor ini sangat besar, kompleks, dan menantang untuk dipelajari.
Penelitian baru dari Universitas Chicago menggabungkan dua teknik pencitraan yang kuat untuk mempelajari struktur lengkap aGPCR umum, termasuk bagaimana wilayah ekstraseluler yang panjang dan kompleks berinteraksi dengan wilayah transmembran yang tertanam di permukaan sel. Perbedaan posisi dan pergerakan wilayah ekstraseluler tampaknya menjadi cara penting untuk mengaktifkan reseptor.
“Hal ini membuka peluang baru untuk membius GPCR adhesi, karena sekarang kami menunjukkan bahwa wilayah ekstraseluler berkomunikasi dengan wilayah transmembran,” kata Demet Araç, PhD, Profesor Madya Biokimia dan Biologi Molekuler di UChicago dan penulis senior studi baru ini. . Hasilnya dipublikasikan bulan ini di Komunikasi Alam.
Mengambil gambar baru dan konfigurasi baru
Wilayah ekstraseluler aGPCR meluas dari membran sel ke ruang di luar sel, tempat ia dapat berikatan dengan molekul dan reseptor dari sel lain. Ini terdiri dari beberapa domain, termasuk domain GPCR Autoproteolysis INducing (GAIN), yang dapat membelah diri menjadi dua bagian.
Pemahaman umum tentang cara mengaktifkan aGPCR adalah bahwa ligan dari luar sel menempel pada salah satu domain ekstraseluler dan memberikan gaya yang memisahkan domain GAIN dari bagian lainnya, suatu peptida yang disebut tethered agonist (TA) yang tetap melekat. ke wilayah transmembran. Ketika TA dipisahkan, ia dapat bergerak dan berinteraksi dengan wilayah transmembran untuk memulai pemberian sinyal, namun semakin banyak penelitian biokimia yang menunjukkan bahwa banyak fungsi aGPCR tidak bergantung pada mekanisme yang bergantung pada pembelahan ini. Pemisahan domain GAIN juga tidak dapat diubah, meninggalkan reseptor dalam keadaan “aktif” yang konstan, yang mungkin berbahaya bagi sel. Kadang-kadang sel mungkin perlu mengaktifkan dan menonaktifkan reseptor, jadi pasti ada cara lain untuk melakukannya.
Laboratorium Araç telah bekerja selama 11 tahun untuk mengungkap struktur aGPCR ukuran penuh, dengan harapan dapat mempelajari bagaimana sinyal masuk ditransmisikan dari luar ke dalam sel. Reseptor ini terkenal sulit untuk dipahami sepenuhnya karena wilayah ekstraseluler memiliki banyak konfigurasi yang kompleks dan berbeda. Mahasiswa pascasarjana Szymon Kordon, PhD, memimpin studi baru ini, mengambil karya mahasiswa sebelumnya untuk menangkap gambar struktur lengkap Latrophilin3, sebuah aGPCR yang terlibat dalam pengembangan sinapsis otak yang juga dikaitkan dengan gangguan pemusatan perhatian dan hiperaktif dan beberapa jenis kanker. .
Kordon dan Araç mengoptimalkan pembuatan dan pemurnian Latrofilin3 dan menangkap gambar mikroskop elektron awal, namun mereka menghadapi banyak tantangan untuk mendapatkan gambaran yang baik tentang reseptornya. Mereka kemudian bekerja dengan Antony Kossiakoff, PhD, Profesor Biokimia dan Biologi Molekuler Otho SA Sprague Distinguished Service di UChicago, untuk membuat antibodi sintetis yang dapat menempel pada aGPCR. Antibodi ini menstabilkan wilayah ekstraseluler dan memberinya bentuk khas yang memungkinkan Kordon menangkap seluruh struktur reseptor menggunakan mikroskop cryo-elektron (cryo-EM), sebuah teknik pencitraan yang membekukan sel dan molekul untuk diambil gambarnya. Gambar yang dihasilkan menjadi struktur aGPCR lengkap pertama yang diketahui.
Gambar cryo-EM menunjukkan bahwa domain GAIN reseptor mengambil beberapa posisi berbeda dalam kaitannya dengan permukaan sel. Setiap posisi berbeda dari domain GAIN menciptakan titik kontak berbeda antara domain tersebut dan wilayah transmembran. Para peneliti bertanya-tanya apakah konfigurasi yang berbeda ini dapat menjadi cara yang berbeda untuk berkomunikasi dengan sel, tanpa memisahkan domain GAIN sepenuhnya. Maka, mereka bermitra dengan Reza Vafabakhsh, PhD, Associate Professor of Molecular Biosciences di Universitas Barat Lautdan Kristina Cechova, PhD, peneliti postdoctoral di Northwestern, untuk menjalankan seri eksperimen kedua yang melacak pergerakan wilayah ekstraseluler.
Cechova dan tim menggunakan pencitraan Förster resonance energy transfer (FRET), yang dapat mengukur transfer energi antar molekul yang berdekatan satu sama lain. Setelah menempelkan penanda fluoresen ke berbagai titik di daerah ekstraseluler dan transmembran aGPCR, mereka dapat melacak pergerakannya saat ia merespons gaya adhesi yang menarik dan mendorongnya. Apa yang mereka lihat menegaskan kecurigaan mereka tentang fungsi konfigurasi yang berbeda.
“Keadaan konformasi yang berbeda berkorelasi dengan aktivitas sinyal reseptor yang berbeda,” kata Kordon. “Itu menunjukkan relevansi fungsional dari konformasi ini pada sinyal hilir di dalam sel.” Kordon, yang lulus pada tahun 2024, kemudian menerima Penghargaan Disertasi Terbaik dari Departemen Biokimia dan Biologi Molekuler di UChicago atas karyanya dalam proyek ini.
Cara baru untuk mengaktifkan reseptor
Araç mengatakan bahwa sekarang mereka memiliki pemahaman yang lebih baik tentang struktur aGPCR dan cara kerjanya, mereka dapat melihat potensi untuk menargetkan obat-obatan tersebut dengan cara yang sama seperti reseptor lainnya. Para peneliti dapat merekayasa antibodi seperti yang digunakan dalam penelitian ini untuk menstabilkannya untuk pencitraan, namun dirancang untuk memanipulasi aktivitas mereka. Karena aGPCR memiliki bentuk dan struktur yang berbeda, antibodi ini juga bisa sangat tepat. Dengan 33 aGPCR berbeda yang telah teridentifikasi pada manusia, terdapat banyak peluang.
“Ini bisa menjadi masa depan dalam membius GPCR adhesi,” kata Araç. “Keuntungannya adalah daerah ekstraseluler sangat berbeda satu sama lain, sehingga Anda dapat menargetkannya dengan obat yang tidak berikatan dengan reseptor lain dan menyebabkan efek samping yang tidak diinginkan.”
Referensi: “Kopling konformasi antara domain ekstraseluler dan transmembran memodulasi fungsi GPCR adhesi holo” oleh Szymon P. Kordon, Kristina Cechova, Sumit J. Bandekar, Katherine Leon, Przemysław Dutka, Gracie Siffer, Anthony A. Kossiakoff, Reza Vafabakhsh dan Demet Araç , 4 Desember 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-54836-4
Penelitian ini didukung oleh Institut Kesehatan NasionalKonsorsium Biomedis Chicago, dan Institut Kanker Nasional. Penulis tambahan termasuk Sumit J. Bandekar, Katherine Leon, dan Przemysław Dutka dari UChicago dan Gracie Siffer dari Northwestern.
