Трехмерные структуры никотинового рецептора ацетилхолина, определенные с помощью крио-ЭМ, любезно предоставлено Hibbs Lab. «Когда этот рецептор связывается либо с нейротрансмиттером ацетилхолином, либо с никотином, это приводит к активации нейрона, который затем посылает сигналы другим нейронам», — сказал доктор Райан Хиббс, автор-корреспондент исследования и доцент кафедры нейробиологии и биофизики. Институт мозга Питера О’Доннелла-младшего в Юго-Западном Юта. «Этот процесс« химической нейротрансмиссии »лежит в основе всех быстрых коммуникаций между нейронами.
Этот специфический рецептор тесно связан с никотиновой зависимостью».Исследователи получили структуры с высоким разрешением с помощью криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) университета стоимостью 22,5 миллиона долларов, где образцы быстро замораживаются, чтобы предотвратить образование повреждающих кристаллов льда, а затем просматриваются при минус 321 градус по Фаренгейту (криогенные температуры). Центр UT Southwestern, который работает круглосуточно, является одним из лучших в мире в области крио-ЭМ структурной биологии.
Два новых аспекта исследования выделяют его в области структурной биологии и нейробиологии. Во-первых, исследователи открыли новую биологическую науку о том, как рецептор связывает никотин в мозге, сказал доктор Хиббс. Во-вторых, это выводы, касающиеся технических аспектов сборки белка.«Открытие, которое мы сделали о различных способах взаимодействия никотина с этим рецептором, может помочь в разработке лекарств для лечения никотиновой зависимости и нейродегенерации», — добавил он. «Что касается сборки рецептора, классические методы определения структуры обычно требуют гомогенного образца.
Однако для этого белка рецептор собирается множеством способов, которые имеют важные биологические последствия. Например, дисбаланс в соотношении двух структур субъединиц связано как с никотиновой зависимостью, так и с врожденной эпилепсией ».
Изучаемый ими белок состоит из пяти субъединиц двух типов -? а также ?. Эти ? а также ? субъединицы собираются в двух различных соотношениях в два различных комплекса из пяти субъединиц, a 3?: 2? форма и 2?: 3? форма. Комплексы обоих соотношений обнаруживаются в головном мозге.«Мы использовали подход маркировки антител для идентификации субъединиц и преодоления проблем в крио-ЭМ вычислениях для получения структур обоих комплексов из пяти субъединиц из одного образца.
Это не было сделано раньше и обеспечивает общий подход для определения структур многих других типы мультисубъединичных каналов и рецепторов, которые могут собираться разными способами », — объяснил доктор Хиббс, научный сотрудник Эффи Мари Кейн в области медицинских исследований.«Две структуры состоят из различных соотношений субъединиц α и β. Используя антитело, которое связывается только с субъединицами β, мы смогли выделить две структуры из одного образца — один рецептор имеет два связанных антитела, а другой имеет три границы », — объяснил ведущий автор Ричард Уолш-младший, аспирант программы молекулярной биофизики.«Быть ведущим автором принятой рукописи — это само по себе чрезвычайно приятное занятие; быть ведущим автором исследования, принятого Nature, по-прежнему кажется сюрреалистичным», — добавил он.Лаборатория Hibbs ранее смогла получить структуру одного из двух комплексов с помощью рентгеновской кристаллографии, впервые в то время из-за сложности кристаллизации мембранных белков.
«В частности, для мембранных белков получение кристаллов, которые будут дифрагировать до высокого разрешения, является сложной задачей, что делает крио-ЭМ особенно мощным. Ранее нам удалось получить одну из этих структур субъединиц никотинового рецептора с помощью рентгеновской кристаллографии.
Крио-ЭМ дала нам обе схемы из одного образца с более высоким разрешением, — сказал д-р Хиббс.