Белки участвуют во всех процессах жизнедеятельности, обеспечивая функционирование, рост и развитие организма, и активно используются в фармацевтике. При этом существенно затрудняет разработку новых лекарств тот факт, что большинство из них до сих пор до конца не изучены.
Белок представляет собой длинную полимерную цепь из аминокислот, и организация этой цепочки в пространстве определяет его функции. Четкое понимание расположения атомов в нем позволяет нам раскрыть процесс его взаимодействия с различными препаратами и обеспечить лучший эффект для новых лекарств — чем и занимаются структурные биологи.
За взаимодействие клетки с внешней средой отвечают семиспиральные белки — рецепторы, сопряженные с G-белками, или сокращенно GPCR, которые находятся на ее внешней оболочке — мембране — и пронизывают ее семь раз. Именно эти белки реагируют на свет, запахи, вкусы, гормоны и многое другое, запуская в том числе реакции на адреналин (наш ответ на угрозу и стресс), серотонин и дофамин — чувство счастья, удовлетворения, предвкушения результата, и окситоцин — эмпатию, привязанность и любовь, а также мелатонин, который заставляет нас спать. GPCR — своеобразные сенсоры, которые передают сигнал внутрь клетки и участвуют в межклеточном общении.
Изучать GPCR до сих пор очень сложно. Реакции на тот же адреналин ученые начали исследовать еще с конца XIX века, а выделить сами рецепторы и изучить их работу удалось только в 70–80-х годах XX века. Более того, первая структура искусственно выращенного GPCR была получена в США только в 2007 году, и значимость этого открытия подчеркивает Нобелевская премия по химии, присужденная в 2012-м. Стоит отметить, что в успешном получении первой структуры участвовал Вадим Черезов, заведующий лабораторией МФТИ, который привнес в работу метод кристаллизации в липидной кубической фазе. Это был настоящий прорыв в своей области, позволивший запустить целую череду успешных исследований и расшифровать структуру десятков белков.
На сегодняшний день мы имеем не так много, как хотелось бы, но у нас есть свои успехи. Всего в нашем организме около 800 видов рецепторов, сопряженных с G-белками. Сейчас расшифровано около 180, то есть порядка 20% структур. Пока мы в начале большого пути.
Зачем мы это делаем? Практически 40% лекарств действует именно на эти рецепторы, и с помощью детального изучения структуры белков становится возможным облегчить и усовершенствовать их разработку. Структурная биология в среднем в полтора раза ускоряет и удешевляет весьма затратный процесс разработки лекарств. Зная расположение атомов в молекуле, можно вычленить потенциальные «карманы», в которые могут проникнуть необходимые молекулы. Более того, четкое определение «кармана» позволяет подогнать форму молекулы под определенный белок, минимизируя побочные эффекты. Но пока главную сложность в изучении рецепторов представляют они сами: их сложно получить в искусственных условиях, а затем очистить в больших количествах, не потеряв при этом стабильность и функциональную активность.
Преодолением этих трудностей мы занимаемся в лаборатории структурной биологии рецепторов, сопряженных с G-белком. Для начала мы думаем, как бы сделать наш белок покрепче: вносим мутации, добавляем белки-партнеры и небольшие фрагменты, необходимые для дальнейшего получения и очистки белка. Что-то из этого помогает, а что-то нет, в этом есть небольшой эффект лотереи. Затем мы наши «усиленные» GPCR получаем в яйцеклетках насекомых, вставляя ген рецептора в ДНК вируса, атакующего этих насекомых в живой природе. Этот вирус, паразитируя на клетках, заставляет их производить заодно и наш рецептор.
После того как клетки активно выработали GPCR, мы его выделяем и проводим анализ качества. В зависимости от результатов материал либо исследуется структурными методами, либо процесс оптимизации запускается заново. Таким образом, только наработка базы может занимать несколько лет.
В своих структурных исследованиях я использовала метод рентгеновской кристаллографии: если несколько белков сойдутся вместе и встанут стройными рядами, это даст начало кристаллу, куда будет приплывать всё больше рецепторов, — и кристалл будет расти.
Далее, если всё прошло успешно, мы везем наши кристаллы на источники рентгеновского излучения. Источники разгоняют электроны до очень высоких скоростей и начинают излучать очень мощный свет, который направляется на кристаллы. Проходя через них, свет расходится в определенных направлениях, по которым мы и можем понять, как устроен наш белок.
Именно таким способом нашей лаборатории впервые удалось определить структуры цистеинил-лейкотриеновых рецепторов CysLT1 и CysLT2, которые играют важную роль в развитии воспалительных процессов и болезней, таких как астма, крапивница и аллергический ринит. Затем мы определили структуру сфингозин-фосфатного рецептора S1P5, неправильное функционирование которого приводит к нейродегенеративным заболеваниям и гранулярной лимфоме.
Благодаря полученным структурам высокого разрешения стало возможным предсказать взаимодействие рецепторов с набором химических соединений. Это будет способствовать созданию прототипов новых лекарств, превосходящих по качеству существующие, и открывает перед нами возможность найти медикаменты для пока неизлечимых болезней.
Структурная биология — относительно молодая отрасль науки и важное подспорье для современной медицины, так как позволяет создавать новые препараты прицельно и максимально точно. Это экономически выгодно, так как первоначальный поиск молекул-кандидатов в лекарства проводится виртуально. Наша лаборатория — пример молодой и конкурентоспособной на мировом уровне научной группы, успешно работающей на территории РФ, и мы имеем реальные возможности разработать медикаменты, которые позволят пополнить копилку мировой фармакологии и улучшат качество жизни людей.
Автор — старший научный сотрудник лаборатории структурной биологии рецепторов, сопряженных с G-белком, МФТИ
Позиция редакции может не совпадать с мнением автора
