Смоделирована работа рецепторов к основному нейромедиатору

Исследовательская группа из Колумбийского университета (Нью-Йорк, США) под руководством Александра Соболевского впервые опубликовала структуру AMPA-рецептора – ионотропного рецептора глутамата – в открытом состоянии. Эти рецепторы являются самыми распространенными в центральной нервной системе передатчиками сигнала, и обеспечивают возбуждение «принимающего» нейрона в ответ на связывание глутамата на его мембране. Ученые не просто засняли канал в открытом виде, но и смоделировали весь цикл его работы. Статья вышла в журнале Nature.

Глутамат – не только аминокислота, входящая в состав белков всех живых организмов, но и один из основных передатчиков сигнала у нас в мозге (не стоит бояться, что глутамат из пищи попадет в мозг, он не проходит через гемато-энцефалический барьер). AMPA-рецепторы – разновидность рецепторов глутамата, которые названы так за способность к активации его синтетическим аналогом AMPA (амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислотой). Эти рецепторы участвуют в передаче быстрых возбуждающих сигналов между нейронами, то есть обеспечивают существенную часть проводимости сигнала в нервной системе. Время передачи сигнала с их помощью измеряется миллисекундами. Также они регулируют синаптическую пластичность, то есть изменение силы связи между двумя нейронами в месте их контакта, которая лежит в основе процессов запоминания и забывания информации. Неудивительно, что эти белки в большом количестве встречаются в разных отделах мозга и задействованы в патогенезе многих неврологических заболеваний – от депрессии до эпилепсии и болезни Альцгеймера. Для искусственного управления рецепторами и дизайна соответствующих препаратов необходимо как можно лучше представлять структуру этих белковых комплексов.

AMPA-рецептор представляет из себя ионный канал. В ответ на связывание глутамата он открывается и пропускает ионы натрия внутрь клетки. Это приводит к деполяризации мембраны и возбуждению нейрона. Небольшие изменения в структуре приводят к прекращению тока ионов через канал, что обозначается как десенсибилизация рецептора. После этого канал возвращается в закрытое состояние.

В 2009 году Соболевский впервые получил структуру рецептора в закрытой конформации при помощи рентгеноструктурного анализа. С тех пор вышел еще ряд работ, посвященных структуре рецептора с разными вспомогательными белками, однако только теперь ученым удалось зафиксировать канал в открытом состоянии. Данные были получены при помощи криоэлектронной микроскопии, которая позволяет получать изображения структур в их нативном состоянии.

Рецепторы, состоящие из четырех субъединиц, были зафиксированы в мембране вместе со вспомогательным белком GSG1L, который стабилизировал закрытую конформацию канала, либо с белком старгазином (STZ), стабилизирующим открытую конформацию. Изображения открытых комплексов были получены в присутствии глутамата. Сопоставив структуры закрытых и открытых комплексов, авторы работы смоделировали процесс открытия канала, а также переход из открытого состояния в десенсибилизированное и в закрытое. Кроме того, ученым удалось «рассмотреть» селективный фильтр внутри канала, который пропускает именно ионы натрия.

Криоэлектронная микроскопия позволяет рассмотреть многие крупные структуры в «естественном» состоянии после замораживания образцов. Это выгодно отличает ее от рентгеноструктурного анализа, требующего выращивания кристаллов белков. Разрешение этого метода с каждым годом растет и постепенно догоняет рентген. К примеру, в работе 2009 года авторы расшифровали структуру AMPA-рецептора с разрешением в 3,6 ангстрем, а максимальное разрешение, которого удалось добиться в новой работе с использованием крио-ЭМ, составило 4,2 ангстрема. В прошлом году с использованием этого метода разрешили структуру другого типа глутаматного рецептора, о чем можно прочитать здесь.

Дарья Спасская