Циркадные ритмы и мелатонин
Мелатонин (N-ацетил-5-метокситриптамин) — нейрогормон, поддерживающий функционирование циркадных ритмов путем синхронизации с сигналами окружающей среды и участвующий в разнообразных физиологических процессах, таких как регуляция артериального давления, поддержание температуры тела, онкогенез и иммунные функции. Синтезируясь в эпифизе путем трансформации 5-гидрокситриптамина (5-НТ, или серотонина), мелатонин принимает участие в модуляции ритмов сна и бодрствования посредством активации двух высокоаффинных рецепторов, связанных с G-белком двух типов — 1A (MT1) и 1B (MT2). Посменная работа, путешествия и круглосуточное искусственное освещение могут вносить дисбаланс в естественные циркадные ритмы. В результате нарушения сна являются одним из наиболее распространенных дезадаптивных состояний в современном обществе.
В недавней работе международной группой исследователей под руководством научных сотрудников Южно-Калифорнийского университета (University of Southern California), США, были описаны первые подробные карты двух рецепторов мелатонина. Лучшее понимание функциональной активности мелатониновых рецепторов позволило бы в будущем разработать более эффективные препараты для терапии нарушений сна, онкологических процессов и сахарного диабета 2-го типа. Результаты исследования были опубликованы в двух статьях, представленных в издании «Nature»24 апреля 2019 г.
Морфология рецепторов мелатонина
В ходе работы ученые применяли рентгеновские лучи от источника когерентного света Linac SLAC (LCLS) для картирования рецепторов MT1 и MT2, связанных с четырьмя различными химическими соединениями — активаторами рецепторов мелатонина — снотворным препаратом, соединением на основе мелатонина и серотонина, а также двумя аналогами мелатонина. В результате установлено, что структура каждого из подтипов рецепторов мелатонина предполагает наличие узких каналов, встроенных в липидные мембраны клеток организма. Такие каналы имеют сродство к мелатонину, при этом блокируя диффузию серотонина. Также показано, что отдельные более крупные соединения могут обладать тропностью к рецепторам MT1, в отличие от MT2, несмотря на структурное сходство между ними. Полученные данные могут послужить основой для разработки препаратов, избирательно воздействующих на рецепторы MT1.
Руководитель исследования доктор медицинских наук Южно-Калифорнийского университета Линда К. Йоханссон (Linda C. Johansson) отметила: «Описанные рецепторы выполняют чрезвычайно важные функции в организме человека, являясь основными терапевтическими мишенями, представляющими наибольший интерес для фармацевтической промышленности. Результаты же проведенной работы позволяют глубже понять механизмы взаимодействия мелатонина с этими рецепторами».
Рецепторы мелатонина относятся к группе мембранных рецепторов, известных как G-протеин-связанные рецепторы (GPCR), регулирующие большинство физиологических и сенсорных процессов в организме человека. Рецепторы MT1 и MT2 выявлены во многих тканях, включая головной мозг, сетчатку глаза, сердечно-сосудистую систему, печень, почки, селезенку и кишечник. Эти рецепторы контролируют ритмику экспрессии циркадных генов организма. Таким образом, оценив структурные характеристики рецепторов мелатонина и отметив направления, по которым лиганды связываются и активируют их, исследователи открыли путь для разработки более безопасных препаратов, способных оказывать эффективное избирательное влияние на каждый тип рецептора.
Рентгеновская кристаллография в изучении рецепторных структур
Одним из методов картирования протеинов, применяемых в исследовательских масштабах, является рентгенологический метод, называемый рентгеновской кристаллографией, позволяющий рассеивать рентгеновские лучи от протеиновых кристаллов и основанный на применении шаблонных трехмерных моделей. До настоящего времени возможности картирования протеинов MT1, MT2 и подобных им рецепторов были ограничены сложностями разработки достаточно крупных кристаллов для получения структур с достаточно высоким разрешением.
Ключевым элементом нового исследования стал уникальный метод, который ученые применили для создания протеиновых кристаллов и сбора данных дифракции рентгеновских лучей от них. Для этого авторы работы экспрессировали изучаемые рецепторы в клетках модельных организмов класса насекомых с последующим извлечением их, применяя детергент. Далее была проведена генетическая модификация указанных рецепторов с целью их стабилизации и последующей кристаллизации. После этапа очистки протеиновые структуры были помещены в мембраноподобный гель, поддерживающий формирование кристаллов непосредственно из мембранной среды. В дальнейшем исследователи применяли специально разработанный инжектор для создания узкого потока кристаллов, оцениваемого при помощи источника когерентных рентгеновских лучей.
В результате были отобраны сотни тысяч изображений рассеянного рентгеновского излучения, что позволило детально оценить трехмерную структуру мелатониновых рецепторов MT1 и MT2. Кроме того, был проведен анализ влияния десятков мутаций, что позволило углубить понимание того, как функционируют рецепторы. При этом в дополнение к описанию каналов, контролирующих активность рецепторов к мелатонину, исследователям удалось обозначить их мутации в рецепторе MT2, ассоциированные с предрасположенностью к развитию сахарного диабета 2-го типа, впервые оценив точное местоположение этих мутаций в рецепторе.
В проведенном исследовании авторы изучали эффекты агонистов мелатониновых рецепторов. Однако перспективу будущих изысканий ученые видят в освоении топографии рецепторов, ответственных за функционирование антагонистов мелатонина. Кроме того, ученые выразили на надежду на применение разработанного метода исследования при анализе и других рецепторов GPCR, во множестве представленных в организме человека.
Подписывайтесь на наш Telegram-канал, Viber-сообщество, Instagram, страничку Facebook, а также Twitter, чтобы первыми получать самые свежие и актуальные новости из мира медицины.
- DOE/SLAC National Accelerator Laboratory (2019) First maps of two melatonin receptors essential for sleep. ScienceDaily, Apr. 24.
- Johansson L.C., Stauch B., McCorvy J.D. et al. (2019) XFEL structures of the human MT2 melatonin receptor reveal the basis of subtype selectivity. Nature, Apr. 24. DOI: 10.1038/s41586-019-1144-0.
- Stauch B., Johansson L.C., McCorvy J.D. et al. (2019) Structural basis of ligand recognition at the human MT1 melatonin receptor. Nature, Apr. 24. DOI: 10.1038/s41586-019-1141-3.
Наталья Савельева-Кулик
