Kalbant apie smegenų baltymus, maži pokyčiai gali padaryti dramatišką skirtumą. Tyrėjai, tiriantys NMDA (N-metil-D-aspartato) receptorius, kurie yra būtini mokymosi, atminties ir akimirkos sąmonei, žino, kad net nedideli jų aktyvumo lygio pokyčiai gali reikšti skirtumą tarp normalios funkcijos ir rimtų neurologinių sutrikimų.
Dabar „Buffalo“ tyrėjų universitetas, dirbdamas ilgalaikiame bendradarbiavime su Vollum instituto mokslininkais, pirmą kartą užfiksavo receptorių nuotraukas ir išskirtines detalias nuotraukas, esančias visiškai atviroje konformacijoje. Straipsnyje taip pat pirmą kartą aprašoma struktūrinių pokyčių seka, kuri receptorių paverčia nuo tylėjimo iki visiškai aktyvaus.
Paskelbta Mokslo pažangaKomandos darbas išplečia supratimą, kaip veikia NMDA receptoriai ir kaip jų gedimas prisideda prie ligos.
Gabriela Popescu, Ph.D., Jacobso medicinos ir biomedicinos mokslų mokyklos biochemijos profesorė UB, yra atitinkamas autorius, pateiktas Ph.D.D. Eric Gouaux ir Farzad Jalali-Yazdi, Vollum instituto Oregono sveikatos ir mokslo instituto mokslininkuose.
Pagrindiniai autoriai yra Jamie A. Abbott, Ph.D., UB Biochemijos departamento mokslininkė ir Junhoe Kim, Ph.D., Ph.D., Ph.D., Ph.D., Ph.D., Ph.D., Ph.D., Vollum instituto doktorantūros mokslų daktarė. Beiying Liu, Ph.D., yra Biochemijos UB departamento bendraautorius.
Popescu savo karjerą praleido tyrinėdamas NMDA receptorių biofizines savybes, kurios sukuria elektrinę srovę reaguojant į surišimo glutamatą ir padeda neuronams bendrauti.
Kodėl įvyksta neurodegeneracija
„NMDA receptoriai yra esminis dalykas nuolatiniam smegenų veiklai”, – sako ji, – tačiau kai jie yra netinkamai aktyvūs, jie naikina neuronus, pavyzdžiui,, pavyzdžiui, po trauminės smegenų sužalojimo, po insulto ar progresuojančių neurodegeneracinių ligų, tokių kaip Parkinsono liga ir Alzheimerio liga „.
Dėl šios priežasties „Popescu“ ir jos kolegos sutelkė dėmesį į bandymą suprasti ir sekti įvykių seką, kuri paverčia poilsio, neaktyvius receptorius į aktyvius, elektrą sukeliančius receptorius.
Pagrindinė šios sekos surinkimo dalis reikalauja gauti receptorių paveikslėlius skirtingose funkcinėse būsenose, kad būtų galima nustatyti, kurios dalys keičia aktyvavimo padėtį, įgalinant perėjimą.
Nors ankstesni tyrimai pranešė, kad ramybės būsenoje receptorių atominės skiriamosios gebos struktūros, Popescu sako, kad aktyvių, porų atvirų receptorių struktūros išliko neįmanomos.
Spiralės spiralėse
Tyrėjai naudojo kriogeninę elektroninę mikroskopiją (krio-EM), kuri apima receptorių užšalimo pavyzdžius, tada tiria juos elektronų pluoštu, kad gautumėte 3D vaizdą. Rezultatas yra pirmasis stabilaus, atviro NMDA receptoriaus, didelės skiriamosios gebos vaizdas. Skirtingai nuo uždarų porų receptorių, kuriuose keturios poros spiralinės struktūros arba spiralės yra tiesios, tyrėjai nustatė, kad kai poros atsidaro, spiralės yra sulenktos arba sukramtytos.
Tai nebuvo tai, ko jie tikėjosi. „Mes manėme, kad kanalas atsidarys tiesiog išmesdamas keturis spiralinius strypus, kurie neleidžia jonų srautui išplėsti porų burną“, – sako Popescu.
„Vietoj to, mes pamatėme, kad visi keturi strypai yra išorę ir stabilizuojami šioje išsiplečiančioje konformacijoje naujais kontaktais su tolimomis molekulės dalimis.”
Kiekvienas keiksmas, paaiškina, atspindi dominantį receptorių regioną. „Amino rūgšties tapatumas toje padėtyje yra būtina, nes ji turi leisti suktis“, – sako ji. „Be vaizdo, nežinodami, kad spiralė turi sulenkti, mes nesuprastume, kodėl būtent šios liekanos yra svarbios.”
Nauji stebėjimai padės tyrėjams išsiaiškinti žingsnis po žingsnio procesą, kurio metu atsidaro receptorių poros; Jie taip pat suteikia įžvalgos, kurios kitos receptoriaus dalys taip pat gali atlikti svarbų vaidmenį. Yra daug pacientų, popscu užrašų, kurių vieno taško mutacijos DNR koduoja šį receptorių. Taškų mutacija yra vienos aminorūgšties pasikeitimas receptoriaus struktūroje.
„Nauja informacija padeda mums geriau suprasti, ką daro šie aminorūgščių liekanos, kodėl jos yra svarbios ir kas negerai, kai jie keičiasi“, – priduria ji.
Struktūros funkcijos išvados
Tyrėjai taip pat atskleidžia pirmąjį NMDA receptorių aktyvacijos, integruotos funkcinių įrodymų, gautų Popescu laboratorijoje, mechanizmą iš vienos molekulės elektrofiziologijos įrašų su struktūriniais įrodymais iš Vollum instituto vyresniojo mokslininko vienos dalelės krio-EM struktūrinių įrodymų.
„Prieš šį tyrimą mes žinojome, kad receptorius turi kelis kartus pakeisti savo struktūrą, kad pereitų nuo poilsio prie grunto į atvirą“, – sako Popescu.
„Atskirai, struktūriniai tyrimai sukūrė receptorių nuotraukas, kurios atrodė šiek tiek kitaip, tačiau kadangi mes nežinojome, kaip atrodė galutinė atvira būsena, mes negalėjome sutvarkyti paveikslėlių teisinga seka.”
Dabar „Popescu“ gali sujungti naujus receptorių vaizdus su ankstesniais jos išvadomis apie greitį, kuriuo receptoriai keičia konformaciją, kad užbaigtų aktyvacijos ciklą. Žinojimas, kaip receptoriai žiūri į kiekvieną sekos tašką, padeda atskirti, kurie regionai vaidina pagrindinį vaidmenį pereinamame laikotarpyje ir kodėl ir kaip vaistai jungiasi prie šių regionų, taip pat kodėl mutacijos šiuose regionuose sukelia ligą.
„Darbas, kurį mano laboratorija nuveikė per pastaruosius 20 metų, gali mums pasakyti, kaip narkotikai ar mutacijos keičia srovę, kurią gliutamatas susidaro, kai jis jungiasi su NMDA receptoriais“, – sako ji.
„Galiausiai šios srovės intensyvumas, trukmė ir dažnis – mažyčiai elektriniai signalai, kuriuos sukuria šie receptoriai, nustatyta, kaip neuronai bendrauja ir ar mūsų mintys, jausmai ir emocijos atspindi tikrovę, kuri padėtų mums išgyventi sudėtingame pasaulyje.
„Nauji rezultatai parodo, kodėl narkotikai ir mutacijos keičia srovę ir gali nukreipti mus į būdus, kaip atkurti normalią funkciją.”