تصاویر جالب گیرنده‌های سلولی، افق نوین دارو درمانی

نقش مهم گیرنده‌های پروتئینی جفت‌شونده با G در بدن

تقریباً ۳۵٪ از داروهای تأیید شده توسط سازمان غذا و دارو (FDA) با هدف قرار دادن گیرنده‌های پروتئینی جفت‌شونده با G (GPCRs) عمل می‌کنند. این پروتئین‌ها در غشای سلولی قرار دارند و به سلول‌ها اجازه می‌دهند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. گیرنده‌های پروتئینی جفت‌شونده با G چسبنده (aGPCRs) دومین خانواده بزرگ این گیرنده‌ها در انسان‌ها هستند. همان‌طور که از نامشان پیداست، این گیرنده‌ها به سلول‌ها کمک می‌کنند تا به یکدیگر بچسبند و سیگنال‌هایی را در داخل بدن ارسال کنند. این گیرنده‌ها در فرآیندهای متعددی مانند رشد بافت‌ها، عملکرد سیستم ایمنی و شکل‌گیری اندام‌ها نقش دارند. مشکلات مربوط به aGPCRها می‌تواند منجر به بیماری‌هایی مانند سرطان، اختلالات مغزی و مشکلات رشد شود. با وجود نقش مهمی که این گیرنده‌ها در بدن ایفا می‌کنند، هیچ دارویی برای هدف قرار دادن aGPCRها تأیید نشده است، زیرا این گیرنده‌ها بزرگ، پیچیده و مطالعه آن‌ها دشوار است.

تحقیقات جدید دانشگاه شیکاگو

تحقیقات جدید دانشگاه شیکاگو دو تکنیک تصویربرداری قدرتمند را ترکیب کرده است تا ساختار کامل یک aGPCR رایج را بررسی کند. این تحقیق شامل بررسی نحوه تعامل ناحیه خارج‌سلولی بلند و پیچیده با ناحیه غشایی است که در سطح سلول قرار دارد. به نظر می‌رسد موقعیت‌ها و حرکات مختلف ناحیه خارج‌سلولی یک روش مهم برای فعال‌سازی گیرنده باشد. دکتر دمیت آراچ، استاد یار بیوشیمی و زیست‌شناسی مولکولی در دانشگاه شیکاگو و نویسنده ارشد این مطالعه، می‌گوید: «این موضوع فرصت‌های جدیدی برای دارورسانی به aGPCRها ایجاد می‌کند، زیرا اکنون نشان می‌دهیم که ناحیه خارج‌سلولی با ناحیه غشایی در حال ارتباط است.» نتایج این تحقیق در ماه جاری در مجله Nature Communications منتشر شده است.

تصاویر و پیکربندی‌های جدید

ناحیه خارج‌سلولی یک aGPCR از غشای سلولی به فضای خارج از سلول امتداد می‌یابد، جایی که می‌تواند به مولکول‌ها و گیرنده‌های سلول‌های دیگر متصل شود. این ناحیه شامل چندین دامنه است، از جمله دامنه GAIN (GPCR Autoproteolysis INducing) که می‌تواند خود را به دو بخش تقسیم کند. درک رایج از نحوه فعال‌سازی یک aGPCR این است که یک لیگاند از خارج سلول به یکی از دامنه‌های خارج‌سلولی متصل می‌شود و نیرویی را وارد می‌کند که دامنه GAIN را از بخش دیگرش، یعنی پپتید به نام آگونیست متصل (TA) که به ناحیه غشایی متصل است، جدا می‌کند. وقتی TA جدا می‌شود، می‌تواند حرکت کند و با ناحیه غشایی تعامل داشته باشد تا سیگنال‌دهی را آغاز کند. اما تحقیقات بیوشیمیایی نشان می‌دهد که بسیاری از عملکردهای aGPCR به این مکانیزم وابسته به جداسازی نیستند. جداسازی دامنه GAIN همچنین غیرقابل برگشت است و گیرنده را در حالت «روشن» دائمی قرار می‌دهد که ممکن است برای سلول مضر باشد. گاهی اوقات یک سلول ممکن است نیاز داشته باشد که یک گیرنده را روشن و خاموش کند، بنابراین باید راه دیگری برای انجام این کار وجود داشته باشد.

آراچ و تیمش به مدت ۱۱ سال است که در تلاشند تا ساختار کامل aGPCRها را کشف کنند و امیدوارند بفهمند که چگونه سیگنال‌های ورودی از خارج به داخل سلول منتقل می‌شوند. این گیرنده‌ها به‌طور مشهور دشوار هستند و درک کامل آنها به دلیل وجود پیکربندی‌های پیچیده و متفاوت در ناحیه خارج‌سلولی بسیار چالش‌برانگیز است.

تحقیقات جدید در زمینه Latrophilin3 و تأثیر آن بر داروها

تحقیقات جدیدی به رهبری سزیمون کوردون، دانشجوی دکتری، به بررسی ساختار کامل Latrophilin3 پرداخته است. این پروتئین از نوع aGPCR است که در توسعه سیناپس‌های مغزی نقش دارد و به اختلال کم‌توجهی و بیش‌فعالی و چندین نوع سرطان مرتبط است. کوردون و همکارش آراچ، فرآیند تولید و تصفیه Latrophilin3 را بهینه‌سازی کردند و تصاویر اولیه با میکروسکوپ الکترونی را به ثبت رساندند، اما برای به دست آوردن تصویر واضحی از گیرنده با چالش‌های زیادی روبرو شدند.

آن‌ها سپس با آنتونی کاسیاکوف، استاد برجسته بیوشیمی و زیست‌شناسی مولکولی در دانشگاه شیکاگو، همکاری کردند تا یک آنتی‌بادی مصنوعی بسازند که بتواند به aGPCR متصل شود. این آنتی‌بادی منطقه خارج‌سلولی را تثبیت کرده و شکلی متمایز به آن بخشید که به کوردون اجازه داد تا ساختار کامل گیرنده را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی کرایو (cryo-EM) به تصویر بکشد. این تکنیک تصویربرداری، سلول‌ها و مولکول‌ها را برای ثبت یک تصویر منجمد می‌کند. تصاویر به دست آمده، اولین ساختار شناخته‌شده از یک aGPCR کامل را نشان می‌دهد.

تصاویر cryo-EM نشان داد که دامنه GAIN گیرنده در موقعیت‌های مختلفی نسبت به سطح سلول قرار می‌گیرد. هر موقعیت متفاوت از دامنه GAIN یک نقطه تماس متفاوت بین آن و ناحیه ترانس‌ممبران ایجاد می‌کند. محققان کنجکاو شدند که آیا این پیکربندی‌های مختلف می‌توانند به عنوان یک روش متفاوت برای ارتباط با سلول عمل کنند، بدون اینکه دامنه GAIN کاملاً جدا شود. بنابراین، آن‌ها با رضا وفابخش، استاد یار زیست‌شناسی مولکولی در دانشگاه نورث‌وسترن، و کریستینا چچوا، پژوهشگر پسادکتری در نورث‌وسترن، همکاری کردند تا یک سری آزمایشات دوم را انجام دهند که حرکات مناطق خارج‌سلولی را پیگیری کند.

چچوا و تیم از تصویربرداری انتقال انرژی رزونانس فورستر (FRET) استفاده کردند که می‌تواند انتقال انرژی بین مولکول‌های نزدیک به هم را اندازه‌گیری کند. پس از اتصال نشانگرهای فلورسانت به نقاط مختلف در هر دو منطقه خارج‌سلولی و ترانس‌ممبران aGPCR، آن‌ها توانستند حرکات آن را در پاسخ به نیروهای چسبندگی که آن را می‌کشیدند و فشار می‌آوردند، پیگیری کنند. آنچه آن‌ها مشاهده کردند، فرضیه آن‌ها درباره عملکرد پیکربندی‌های مختلف را تأیید کرد. کوردون گفت: “وضعیت‌های مختلف کنفورمیشنی با فعالیت سیگنال‌دهی متفاوتی از گیرنده مرتبط بودند. این نشان‌دهنده اهمیت عملکردی این کنفورماسیون‌ها در سیگنال‌دهی پایین‌دستی در سلول است.”

کوردون که در سال 2024 فارغ‌التحصیل شد، بعداً جایزه بهترین پایان‌نامه را از دپارتمان بیوشیمی و زیست‌شناسی مولکولی دانشگاه شیکاگو برای کار خود در این پروژه دریافت کرد.

روش جدیدی برای فعال‌سازی گیرنده‌ها

آراچ گفت که اکنون که آن‌ها درک بهتری از ساختار aGPCRها و نحوه عملکرد آن‌ها دارند، می‌توانند پتانسیل هدف‌گیری آن‌ها با داروها را به همان شیوه‌ای که سایر گیرنده‌ها هدف قرار می‌گیرند، ببینند. محققان می‌توانند آنتی‌بادی‌هایی مانند آن‌هایی که در این مطالعه استفاده شده‌اند، طراحی کنند تا آن‌ها را برای تصویربرداری تثبیت کنند، اما به گونه‌ای طراحی شوند که فعالیت آن‌ها را دستکاری کنند. از آنجا که aGPCRها اشکال و ساختارهای متمایزی دارند، این آنتی‌بادی‌ها می‌توانند بسیار دقیق باشند. با شناسایی 33 نوع مختلف aGPCR در انسان، فرصت‌های زیادی وجود دارد. آراچ گفت: “این می‌تواند آینده دارورسانی به GPCRهای چسبندگی باشد. مزیت این روش این است که مناطق خارج‌سلولی بسیار متفاوت از یکدیگر هستند، بنابراین می‌توانید آن‌ها را با دارویی هدف قرار دهید که به سایر گیرنده‌ها متصل نمی‌شود و عوارض جانبی ناخواسته ایجاد نمی‌کند.”