تصاویر گیرنده‌های سلولی: راهی نوین برای درمان‌های موثر

نقش مهم گیرنده‌های پروتئینی متصل به G در داروها

تقریباً ۳۵٪ از داروهای تأیید شده توسط سازمان غذا و دارو (FDA) با هدف قرار دادن گیرنده‌های پروتئینی متصل به G (GPCRs) عمل می‌کنند. این پروتئین‌ها در غشای سلولی قرار دارند و به سلول‌ها اجازه می‌دهند که با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. گیرنده‌های پروتئینی متصل به G از نوع چسبندگی (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 درون بدن ارسال کنند. این گیرنده‌ها در بسیاری از فرآیندها، از جمله 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 جدیدی از دانشگاه شیکاگو دو تکنیک تصویربرداری قدرتمند را برای مطالعه ساختار کامل یک aGPCR رایج ترکیب کرده است. این تحقیقات شامل بررسی چگونگی تعامل ناحیه خارج‌سلولی بلند و پیچیده با ناحیه غشایی است که در سطح سلول قرار دارد. به نظر می‌رسد که موقعیت‌ها و حرکات مختلف ناحیه خارج‌سلولی، راهی مهم برای فعال‌سازی گیرنده باشد. دکتر دمت آراچ، استاد همکار 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 نشریه Nature Communications منتشر شد.

تصاویر و پیکربندی‌های جدید

ناحیه خارج‌سلولی یک aGPCR از غشای سلولی به فضای خارج از سلول گسترش 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 عمومی از چگونگی فعال‌سازی یک aGPCR این است که یک لیگاند از خارج سلول به یکی از دامنه‌های خارج‌سلولی متصل می‌شود و نیرویی را اعمال می‌کند که دامنه GAIN را از بخش دیگرش، که یک پپتید به نام آگونیست متصل (TA) 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 در حال رشد 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.

آزمایشگاه آراچ به مدت ۱۱ سال است که در تلاش است تا ساختار کامل aGPCRها را آشکار کند و امیدوار است که یاد بگیرد چگونه سیگنال‌های ورودی از خارج به داخل سلول منتقل می‌شوند. این گیرنده‌ها به‌خاطر نواحی خارج‌سلولی خود که دارای پیکربندی‌های پیچیده و متمایز زیادی هستند، به‌طور مشهور دشوار برای درک کامل هستند.

تحقیقات جدید در مورد Latrophilin3 و نقش آن در مغز

تحقیقات جدیدی به رهبری دانشجوی دکتری سیمن کوردون به بررسی ساختار کامل Latrophilin3، یک گیرنده پروتئینی وابسته به گلیکوپروتئین (aGPCR) پرداخته است. این گیرنده در توسعه سیناپس‌های مغزی نقش دارد و همچنین با 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 میکروسکوپ الکترونی را ثبت کردند، اما در به‌دست‌آوردن تصویر مناسبی از این گیرنده با چالش‌های زیادی روبه‌رو 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 ناحیه خارج‌سلولی را تثبیت کرد و شکلی متمایز به آن داد که به کوردون اجازه داد ساختار کامل گیرنده را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی کرایو (cryo-EM) ثبت کند. این تکنیک تصویربرداری، سلول‌ها و مولکول‌ها را برای گرفتن یک تصویر منجمد می‌کند. تصاویر به‌دست‌آمده، اولین ساختار شناخته‌شده از یک aGPCR کامل را نشان داد.

تصاویر cryo-EM نشان داد که دامنه GAIN گیرنده در ارتباط با سطح سلول، چندین موقعیت مختلف را به خود می‌گیرد. هر موقعیت متفاوت از دامنه GAIN، نقطه تماس متفاوتی بین آن و ناحیه غشایی ایجاد می‌کند. محققان کنجکاو شدند که آیا این پیکربندی‌های مختلف می‌توانند راهی متفاوت برای ارتباط با سلول باشند، بدون اینکه دامنه GAIN به‌طور کامل جدا شود. بنابراین، آن‌ها با رضا وفابخش، استاد یار زیست‌شناسی مولکولی در دانشگاه نورث‌وسترن، و کریستینا چکوا، پژوهشگر پسادکتری در نورث‌وسترن، همکاری کردند تا یک سری آزمایشات دوم را انجام دهند که حرکات نواحی خارج‌سلولی را ردیابی کند.

چکوا 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 نواحی خارج‌سلولی و غشایی aGPCR، آن‌ها توانستند حرکات آن را در پاسخ به نیروهای چسبندگی که آن را می‌کشید و هل می‌داد، ردیابی کنند. آنچه را که مشاهده کردند، شک و تردید آن‌ها را در مورد عملکرد پیکربندی‌های مختلف تأیید کرد. کوردون گفت: “وضعیت‌های مختلف کنفورماسیونی با فعالیت سیگنال‌دهی متفاوتی از گیرنده مرتبط بودند. این نشان‌دهنده اهمیت عملکردی این کنفورماسیون‌ها در سیگنال‌دهی پایین‌دستی در سلول است.”

راه جدیدی برای فعال‌سازی گیرنده‌ها

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. 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، بررسی کنند. 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 کار این است که نواحی خارج‌سلولی بسیار متفاوت از یکدیگر هستند، بنابراین می‌توانید آن‌ها را با دارویی هدف‌گذاری کنید که به سایر گیرنده‌ها متصل نشود و عوارض جانبی ناخواسته ایجاد نکند.”