1
До осени 2012 года неспециалисты не слышали такого слова — G-белоксопряженные рецепторы. Сейчас оно у всех на устах. Вкратце, Нобелевскую премию по химии в 2012 году получили Роберт Лефковиц и Брайан Кобилка «за исследования G-белоксопряженных рецепторов». Лефковиц в конце 1960-х открыл первый представитель семейства — β-адренорецептор, а позже его ученик Кобилка идентифицировал ген этого рецептора и нашел сходство с другим, казалось бы, совершенно не связанным белком — фоторецептором родопсином, находящимся в сетчатке глаза и позволяющим нам видеть. Это было довольно смелое решение — объединить эти и еще многие другие рецепторы в одно семейство. Уже значительно позже было подтверждено, что они имеют общее пространственное строение.
В 2007 году Кобилка добился триумфа — была получена точная пространственная структура β2-адренорецептора. Это оказалось сделать очень непросто — GPCR-рецепторы потребовали совершенно новой методики получения кристаллов, пригодных для рентгеноструктурного анализа. В 2011 году он добавил «последний штрих» к своей многолетней работе — показал, каким образом активированный рецептор, находящийся в мембране клетки, взаимодействует с G-белком, расположенным «под» мембраной (в цитоплазме).
Новоселецкий В.«Нобелевская премия по химии (2012): за рецепторы наших первого, третьего
2
Почему так важно знать, что GPCR-рецепторы — это мембранные белки, и что такого особенного в мембране клетки?
Мембрана — это главная оболочка жизни, потому что ни один живой организм не обходится без неё. Даже многие вирусы, насчет которых еще можно поспорить, являются ли они живыми или нет, имеют мембрану. Дело в том, что она разделяет «внутренний мир» клетки и все остальное пространство, позволяя наиболее важным реакциям протекать в очень ограниченном пространстве, сравнительно мало завися от того, что происходит вокруг. Межклеточная коммуникация, позволяющая клеткам образовывать сообщества (у бактерий) или организмы (у многоклеточных эукариот), также опирается на мембрану. Это не просто полупроницаемая пленка из липидов, а сложнейший гибрид липидного бислоя и «плавающих» в нем мембранных белков — ионных каналов, рецепторов и других. Каждый третий белок в организме — мембранный.
Однако мембранные белки изучать очень сложно— в отличие от белков глобулярных, хорошо себя «чувствующих» в растворе. В частности, для того, чтобы GPCR-рецептор имел правильную форму и работал как следует, ему необходимо находиться в мембране. Долгое время это было камнем преткновения в изучении структуры G-белоксопряженных рецепторов: в клетке их очень мало, и поэтому приходится их получать и исследовать в биоинженерных системах, где серьезные сложности возникают и в получении (экспрессии), и в доставке в мембраноподобную среду, и в получении белкового «кристалла», необходимого для рентгеноструктурного анализа, и при интерпретации дифракционных данных.
Важный прорыв в структурной биологии GPCR-рецепторов удалось сделать нашему соотечественнику Вадиму Черезову, который в сотрудничестве с Кобилкой в 2007 году смог получить кристалл генно-инженерного варианта β2-адренорецептора, использовав технологию кубической липидной фазы. С тех пор этот метод взят на вооружение многими лабораториями мира.
Чугунов А. «Липидный фундамент жизни»
Rasmussen S.G.F., et al. (2007). Crystal structure of the human β2 adrenergic
G-protein-coupled receptor. Nature 450, 383–387
3
Мембранное окружение определяет то, как устроены белки мембраны: находящиеся в ней фрагменты белковой цепи гидрофобны (то есть, «боятся» воды и «любят» взаимодействовать с неполярными молекулами — такими как липиды мембран). Кроме того, они упакованы в α-спирали, примерно перпендикулярные плоскости мембраны. GPCR-рецепторы содержать семь таких сегментов, и поэтому из структура напоминает «змейку», которая делает семь изгибов для того, чтобы мембрану пересечь.
Именно этот факт натолкнул Кобилку в свое время на мысль, что адренорецептор и фоторецептор сетчатки глаза — родопсин — имеют общую структуру: анализируя генетические последовательности этих белков, он обнаружил эти самые семь цепочек гидрофобных аминокислотных остатков в обоих рецепторах. Интересно, что при, на первый взгляд, очень схожем строении эти рецепторы реагируют на широчайший спектр химических и физических сигналов.
4
В G-белоксопряженных рецепторах выделяют три крупных семейства:
1. Семейство родопсина (A): сюда входят зрительный рецептор родопсин, а также рецепторы моноаминов (адреналина, мускарина, дофамина, гистамина, серотонина), пептидов (ангиотензина, брадикинина, хемокинов, опиатов, нейропептидов), гормонов, каннабиоидов, а также запахов (этих рецепторов около 300).
2. Семейство рецепторов секретина (B): это рецепторы таких нейропептидов как кальцитонин, глюкагон, факторы роста, секретин и других.
3. Семейство глутаматного рецептора ©: рецептор аминокислоты глутамата (имеющей «вкус мяса») и другие вкусовые рецепторы, а также рецепторы ионов кальция.
Всего в геноме человека содержится чуть ли не тысяча генов рецепторов GPCR, а это значит, что каждый двадцатый белок в нашем организме — это как раз такой рецептор.
Благутина В. Анатомия вкуса. Химия и жизнь 10 (2010).
5
Одним из наиболее хорошо изученных G-белоксопряженных рецепторов является фоторецептор сетчатки нашего глаза родопсин. В полости между семью трансмембранными α-спиралями он содержит светочувствительный пигмент ретиналь, который способен поглощать фотон и менять свою конформацию (происходит превращение цистранс). Эта, казалось бы, скучная химическая подробность позволяет нам насладиться белым (и не только) светом: ретиналь, «распрямляясь», меняет форму рецептора, который «активируется» и начинает взаимодействовать с G-белком (в случае родопсина этот белок называется трансдуцином). Активация трансдуцина в конечном итоге порождает сигнал, поступающий в мозг по зрительному нерву.
Родопсин — пигмент клеток-«палочек», работающих в темноте и «выключающихся» на ярком свете. Еще, как известно, есть клетки-«колбочки», в которых содержатся три других опсина, родственных самому родопсину, но отличающихся по цветовой чувствительности: они воспринимают синий, зеленый и красный цвета, определяя трихроматичное зрение приматов. Поэтому «в темноте все кошки серы» — «цветные» опсины работают только на ярком свету, а родопсин — в сумерках.
Интересно, что первым была определена пространственная структура именно родопсина (это было в 2000 году), а вовсе не адренорецептора. При этом ни один из авторов той работы не попал в список нобелевских лауреатов.
Кстати, кофактор ретиналь, выделенный Джорждем Уолдом в 1933 году из препарата сетчатки, является продуктом превращений витамина А, что объясняет феномен «куриной слепоты», появляющийся при авитаминозе. Ретиналь — это отдельная молекула, которая присоединяется к рецептору с помощью химической модификации (без него рецептор, конечно, на свет не реагирует). В 1967 году Уолд получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за исследования в области физиологии и биохимии зрения».
Чугунов А.«Зрительный родопсин — рецептор, реагирующий на свет»
6
В отсутствии сигнала рецепторы находятся в неактивной форме. Для рецептора отсутствие сигнала — это когда с ним не связан лиганд-активатор, или агонист. Либо рецептор может связывать лиганд-инактиватор, или антагонист. Так вот для родопсина и агонист, и антагонист — это одна и та же молекула: ретиналь. Только в темноте ретиналь находится в цис-форме и является антагонистом, а на свету он превращается в транс-форму и становится агонистом. Таким образом родопсин и другие опсины «чувствуют» свет.
Рецептор, «почувствовав» сигнал, активируется. На молекулярном уровне это обозначает структурную перестройку: «внутренняя» (цитоплазматическая) сторона рецептора меняется таким образом, что она начинает распознавать G-белок. G-белок состоит из трех субъединиц: α, β и γ. После присоединения G-белка к рецептору α-субъединица отсоединяется от всего комплекса и отправляется в «свободное плавание», в процессе которого запускает каскад биохимических реакций, являющийся смыслом всего предшествующего рецепторного акта. А активированный рецептор активирует следующую молекулу G-белка, многократно усиливая первоначальный сигнал, которым может быть одна-единственная молекула или один (!) фотон.
Получение пространственной структуры β-адренорецептора в активированной форме и в комплексе с G-белком стало «последней каплей», после которой нобелевский комитет решил: «все, пора давать».
Rasmussen S.G.F., et al. (2011). Structure of a nanobody-stabilized active state
of the β2 adrenoceptor.Nature 469, 175–180
7
Такого шума из-за биохимических и биофизических исследований семейства рецепторов не было бы, если бы эти исследования не предвосхищали прорыв в фармакологии, связанный с разработкой новых лекарств, действующих на GPCR-рецепторы. С неправильной работой этих рецепторов связан целый спектр очень распространенных заболеваний, среди которых аллергии, шизофрения, гипертоническая болезнь, астма, психозы и многие другие. Уже сегодня на G-белоксопряженные рецепторы действует, по разным оценкам, около половины современных лекарств, и число это обещает сильно вырасти в свете активных структурных исследований, начатых более 30 лет назад Лефковицем и Кобилкой.
Дело в том, что современная парадигма в биохимии гласит, что, зная структуру, можно проникнуть и в функцию «молекулярной машины», такой как рецептор. На этом основывается концепция рационального дизайна лекарственных препаратов: зная, как устроен «замок» (рецептор), можно подобрать и «ключ» (лекарство). Впрочем, нужно немного протереть розовые очки: жизнь всегда сложнее схем (особенно маркетинговых), и разработка новых поколений лекарств, хотя и облегчается всесторонним исследованием рецепторов, все-таки не сводится к нему. Так что ученым-биологам еще долгое время будет, чем заняться.
Кенакин Т. Новые мишени для лекарств. В мире науки 2 (2006), 67–73
