Назад
Исследователи из университетов Бонна и Регенсбурга выяснили структуру центрального клеточного переключателя воспаления.
Их работа показывает, с каким участком гигантского белка под названием NLRP3 могут связываться ингибиторы. Это открывает путь к разработке новых фармацевтических препаратов, которые могут быть направлены против воспалительных заболеваний, таких как подагра, диабет 2 типа или даже болезнь Альцгеймера. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
В своем исследовании ученые изучали белковую молекулу NLRP3. Это своего рода датчик опасности в клетке: он подает сигнал тревоги, когда клетка находится в состоянии стресса, например, из-за бактериальной инфекции или токсинов. Затем NLRP3 вызывает образование пор в клеточной мембране, что в конечном итоге приводит к гибели клетки. Однако перед этим сенсорная молекула стимулирует образование воспалительных веществ, которые высвобождаются через перфорированную мембрану. Эти цитокины привлекают больше иммунных клеток к месту поражения и обеспечивают самоубийство клеток в близлежащей области, тем самым предотвращая дальнейшее распространение бактерии или вируса.
"В результате возникает обширная воспалительная реакция", - объясняет руководитель исследования профессор Маттиас Гейер из Института структурной биологии Боннского университета. "Это, безусловно, очень полезно для защиты от патогенов. Но если эта реакция передозирована или запускается даже безобидными сигналами, она может привести к хроническим воспалительным заболеваниям - таким как диабет II типа, подагра, болезнь Крона или даже деменция, например, болезнь Альцгеймера".
Поэтому исследователи по всему миру ищут способы воздействия на воспалительные процессы без нарушения всего механизма иммунного ответа. Еще 20 лет назад американская фармацевтическая компания Pfizer опубликовала интересное открытие в этом отношении: определенные активные вещества предотвращают высвобождение цитокинов - важнейших посланников воспаления. Однако каким образом эти CRID (Cytokine Release Inhibitory Drugs) делают это, до сих пор было неизвестно.
Уже несколько лет известно, что CRID каким-то образом не дают клеточным датчикам опасности бить тревогу. "Теперь мы выяснили, каким образом они оказывают это действие", - объясняет Гейер. "Для этого мы выделили из клеток большое количество NLRP3, очистили его и добавили ингибитор CRID3. Затем мы поместили мизерные порции этой смеси на носитель, а затем быстро заморозили их".
Этот метод создает тонкую пленку льда, содержащую миллионы молекул NLRP3, с которыми связан CRID3. Их можно было наблюдать с помощью электронного микроскопа. Поскольку при нанесении молекулы ложатся по-разному, под микроскопом можно увидеть разные их стороны. "Эти виды можно объединить, чтобы создать трехмерное изображение", - объясняет Гейер.
Крио-ЭМ изображения позволяют детально изучить структуру сенсора опасности, инактивированного CRID3. Они показывают, что NLRP3 в своей неактивной форме собирается в мегамолекулу. Она состоит из десяти единиц NLRP3, которые вместе образуют своего рода клетку. "Самым захватывающим результатом нашей работы, однако, является то, что мы смогли идентифицировать молекулу CRID3, пристыкованную к своему сайту связывания", - с радостью сообщает Гейер. "Это был крепкий орешек, который пытались расколоть многие группы по всему миру".
Сайты связывания (структурные биологи также говорят о "карманах") расположены внутри клетки. Каждая из десяти единиц NLRP3 имеет один такой карман. Когда ингибитор занимает CRID3, он блокирует механизм заслонки, необходимый для активации NLRP3. Подобно распустившейся розе, которую пчела может посетить только в таком состоянии, определенные части белка NLRP3 достигают поверхности клетки, когда заслонка переворачивается, и таким образом становятся доступными.
NLRP3 является представителем целого семейства подобных белков. Каждый из них, предположительно, выполняет свою специфическую задачу в различных воспалительных процессах. "На основании наших исследований мы полагаем, что карманы всех этих NLRP различны", - говорит Гейер. "Поэтому для каждого из них, вероятно, можно найти специфический ингибитор". Это дает исследователям целый арсенал нового потенциального оружия против различных воспалительных заболеваний.
Например, нынешняя работа позволяет вести целенаправленный поиск более эффективных альтернатив CRID, которые также имеют меньше побочных эффектов. Но это только начало, говорит Гейер. "Я убежден, что наше исследование открывает новую плодотворную область исследований, которая будет занимать ученых еще многие десятилетия".
Inga V. Hochheiser et al. Структура декамера NLRP3, связанного с ингибитором высвобождения цитокинов CRID3 (авннотация).
NLRP3 - внутриклеточный сенсорный белок, активация которого широким спектром экзогенных и эндогенных стимулов приводит к образованию инфламмасомы и пироптозу. Конформационные состояния NLRP3 и то, как антагонистические малые молекулы действуют на молекулярном уровне, остаются малоизученными. В настоящем исследовании мы сообщаем о криоэлектронной микроскопии структур полноразмерного NLRP3 человека в его нативной форме и в комплексе с ингибитором CRID3 (также названным MCC950)4. Неактивный, связанный АДФ NLRP3 представляет собой декамер, состоящий из гомодимеров переплетенных доменов LRR, которые собираются в пентамеры по принципу "спина к спине". Домен NACHT расположен на апикальной оси этой сферической структуры. Внутри клетки LRR дополнительно образуется один димер PYD.
Молекулярные контакты между вогнутыми участками двух противоположных LRR опосредуются кислотной петлей, выходящей из переходного сегмента LRR. Связывание CRID3 значительно стабилизирует домены NACHT и LRR относительно друг друга, обеспечивая структурное разрешение 3,8-4,2 Å. CRID3 связывается в месте, соединяющем четыре субдомена NACHT с переходным LRR. Его центральная сульфонилмочевинная группа взаимодействует с мотивом Walker A нуклеотид-связывающего домена NLRP3 и находится между двумя аргининами, что объясняет специфичность NLRP3 для этого химического соединения.
С определением места связывания этого ведущего терапевтического средства, специфическое нацеливание на NLRP3 для лечения аутовоспалительных и аутоиммунных заболеваний и рациональная оптимизация лекарственных средств находятся в пределах досягаемости.
