Ein internationales Forscherteam hat die molekulare Struktur der medizinisch wichtigen decodiert Serotonin Rezeptor bei Raumtemperatur für die erste Zeit. Diese Studie zeigt die Dynamik des Rezeptors aus nächster Nähe auf seine Betriebstemperatur und gibt ein realistischeres Bild von dessen physiologische Funktion als es vorher mit herkömmlichen Tiefkühl Analysen in flüssigem Stickstoff bei minus 173 Grad Celsius möglich war, damit . Das Team um Prof. Vadim Cherezov des Scripps Research Institute in La Jolla, Kalifornien führte , berichtet über seine Arbeit in der Fachzeitschrift Science . Die Forschung könnte zu einer besseren entwickelt Medikamente führen . Die Studie eröffnet auch neue Möglichkeiten für die Untersuchung von großen Biomolekülen .
Serotonin ist ein wichtiger Neurotransmitter und ist an der Regulation einer Vielzahl von Körperfunktionen wie involviert Blutdruck , Verdauung und Augeninnendruck , sondern auch Stimmung, Appetit und Sucht. Dies macht den Serotonin-Rezeptor eine wichtige Target . Zu wissen, seine molekulare Struktur konnte für die Entwicklung maßgeschneiderter Medikamente, die an den Rezeptor wie ein Schlüssel in ein Schloss passt zu ermöglichen.
"Die Wissenschaftler waren scharf auf Decodierung der Struktur der Serotonin-Rezeptor seit Jahrzehnten ", sagte Co-Autor Cornelius Gati von Prof. Henry Chapman Gruppe im Hamburger Zentrum für Freie-Elektronen- Lasern CFEL , einer Kooperation von DESY , der Universität Hamburg und der Max -Planck-Gesellschaft . Aber nur in diesem Jahr konnte eine Gruppe einschließlich Cherezov beim Dekodieren die Struktur des Rezeptors in einem klassischen kristallographischen Analyse bei einer sogenannten Synchrotron Lichtquelle .
Für solche Untersuchungen haben normalerweise Biomoleküle kristallisiert werden. Dies kann sehr schwierig und manchmal sogar unmöglich, mit einer Gruppe von Molekülen, den sogenannten Membranproteine , zu der der Serotonin -Rezeptor gehört zu tun. Sobald Kristalle gezüchtet , sind sie schockgefroren und mit Röntgenstrahlen aus der Synchrotron- Lichtquelle beleuchtet. Die Röntgenstrahlen erzeugen charakteristische Beugungsmuster, aus dem die Struktur der Probe berechnet werden kann.
Für die neue Studie , verwendet das Team die weltweit stärkste Röntgenlaser , der Linac Coherent Light Source am SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park , Kalifornien. Die LCLS erzeugt 120 intensive Röntgenblitze pro Sekunde , jeweils eine Milliarde mal stärker als herkömmliches Synchrotron . Mit diesen hellen blinkt , können auch kleinste Kristalle untersucht werden. Die Kristalle müssen nicht eingefroren werden , da sie durch die hellen Blitz dampft. Doch bevor sie zerfallen , ihre innere Struktur zu viel besser Treue als mit dem Synchrotron aufgezeichnet werden. " Die Röntgenblitze sind von weniger als 30 Femtosekunden Dauer , die Zeit, die Licht nur 10 Mikrometer , kleiner als die Breite eines menschlichen Haares zu reisen ", erklärt Chapman . " Jeder unglaublich kurzen, aber leistungsstarken Blitz von Röntgenstrahlen buchstäblich holt Schäden oder Zerfall des Kristalls aus dieser Strahlung , die uns stark und unberührten Strukturinformationen . "
"Raumtemperatur Strukturen sollten besser vertreten Konformationen von Proteinen in ihrer natürlichen Umgebung und kann so besser Vorlagen für strukturbasiertes Wirkstoffdesign dienen", sagte Cherezov .
Für die Untersuchung an der Röntgenlaser wuchs die Forscher winzige Kristalle des Serotonin-Rezeptor mit dem Molekül Ergotamin angebracht , die eine ist Migräne Medikament, das diesen Rezeptor abzielt. Um die Schwierigkeiten bei der Kristallisation zu überwinden, haben die Forscher eine künstliche Zellmembran Umgebung aufgerufen Lipid kubischen Phase , LCP, dass zumindest gestattet, Mikrokristalle wachsen. Aber LCP ist viskoser als Zahnpasta und kann nicht in den Röntgenstrahl , wie eine flüssige Suspension besprüht werden. Das ist, warum ein Team der Arizona State University entwickelt eine maßgeschneiderte Injektor, der Lage sein, eine stetige, aber winzigen Strom von LCP durch die Röntgen Weg zu schießen ist .
"Die, Zahnpasta ' Injektor von Prof. Uwe Weierstall an der Arizona State University entwickelt , kann die Durchflussmenge zu steuern und so einstellen, dass es eine minimale Verschwendung von Kristallen zwischen LCLS Impulse , die Verringerung der Menge von Kristallen für die Datenerfassung hundert erforderlich - um das Tausendfache im Vergleich zu flüssigen Injektoren ", sagte Cherezov . Dies ermöglichte es mehr als 150 000 Muster aus einzelnen Kristallen, die ständig durch den Injektor aufgefüllt wurden gesammelt werden. Die enorme Datenmenge wurde von Gati mit Software namens CrystFEL speziell für diese Methode erstellt verarbeitet.
Das Forscherteam verglich die Strukturdaten aus dem Röntgenlaser mit der Struktur an der Synchrotron gelöst . "Einer der wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit ist , dass die zumin LCLS erhaltene Struktur ist nahezu identisch mit dem mit herkömmlichen Kristallographie erhaltenen Struktur , trotz der Tatsache , dass die LCLS Daten wurden aus Kristallen 100 mal kleiner Volumen und bei Raumtemperatur gesammelt , " Cherezov betont.
Unterschiede in den beiden Strukturen analysiert Schaft teilweise von der Tatsache, dass bei Kryo- Temperaturen einige flexible Schleifen des Rezeptors angezeigt steifer als sie bei Raumtemperatur. Die Dynamik der Schleifen sind wichtig für die Bindung von Signalmolekülen innerhalb und außerhalb der Zelle.
Die Studie eröffnet neue Analyseverfahren für eine ganze Klasse von Biomolekülen. Die Serotonin-Rezeptor gehört zu einer großen Gruppe mit der Bezeichnung G -Protein-gekoppelten Rezeptoren oder GPCRs . Diese Gruppe von ca. 800 Rezeptoren spielt eine zentrale Rolle bei der Übertragung von Signalen aus der Umgebung in die Zelle und ist von großem Interesse für die Arzneimittelentwicklung . Über 30 bis 40 Prozent aller Medikamente an GPCRs angreifen .
"Dies ist das erste Proteinkristallstruktur eines menschlichen Membranprotein bei Raumtemperatur ", so Gati . "Unsere Arbeit zeigt, dass es möglich ist, Mikrokristallen von Biomolekülen bei Raumtemperatur zu analysieren , was zu mehr realistische Ergebnisse . Dies kann für eine optimale Entwicklung von Arzneimitteln , da mehr von der Dynamik des Rezeptors erlauben, sichtbar ist. "