Согласно новому исследованию, проведенному исследователями из Weill Cornell Medicine, две очень похожие молекулы с важными, но часто контрастирующими сигнальными ролями в большинстве форм жизни проявляют свои различные эффекты благодаря тонким различиям в их связывании со своими сигнальными партнерами.

В исследовании, опубликованном 27 марта в Структурная и молекулярная биология природыисследователи использовали чрезвычайно чувствительные методы измерения, чтобы выявить на уровне одной молекулы, как сигнальные молекулы цАМФ и цГМФ связываются с ионным каналом из семейства каналов кардиостимулятора, одного из основных типов белков, активность которых они регулируют.

Ионные каналы являются общими чертами клеточных мембран и контролируют основные функции клеток, позволяя кальцию, натрию, калию и другим заряженным элементам, называемым ионами, втекать и выходить из клеток. Многие ионные каналы могут связывать как цАМФ, так и цГМФ, но эффективно открываются только одним из них. Как именно эти две молекулы по-разному влияют на активность ионных каналов, оставалось загадкой.

Исследование подробно описывает, как цАМФ/цГМФ связывается с ионными каналами, и способствует пониманию фундаментального аспекта клеточной биологии. Эти результаты могут в конечном итоге вдохновить на новые методы лечения расстройств, связанных с неисправностями ионных каналов.

«Мы обнаружили четкие различия во взаимодействии и силе связывания этих двух молекул с ионными каналами, что, по нашему мнению, объясняет, почему одна может открыть канал, а другая — нет», — сказал старший автор исследования доктор Саймон Шойринг, профессор физиологии и биофизика в анестезиологии в Weill Cornell Medicine.

Циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) и циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ) известны как циклические нуклеотиды: «циклические», потому что их химическая структура содержит циклические или кольцевые мотивы, и «нуклеотиды», потому что они являются частью того же семейства молекул, что и нуклеотиды. блоки А и G ДНК. Похоже, что они развились как многоцелевые переключатели, способные регулировать активность широкого спектра различных белковых мишеней.

Часто только одна из них, цАМФ или цГМФ, является активатором, в то время как другая мало или совсем ничего не делает непосредственно с мишенью, но может переводить ее в неактивное состояние, связываясь с одним и тем же сайтом, таким образом, конкуренция между двумя молекулами переключает каналы. включить и выключить.

Белки, регулируемые цАМФ/цГМФ, включают большой класс ионных каналов, называемых ионными каналами, управляемыми циклическими нуклеотидами (CNG). Каналы CNG играют важную роль во всей нервной системе, в том числе в сенсорных нейронах, опосредующих обоняние и зрение, и в клетках водителя ритма, которые регулируют ритм сердцебиения.

Доктор Шойринг, который помог пионером в использовании чувствительного метода измерения, называемого атомно-силовой микроскопией (АСМ), и доктор Крина Нимиджин, эксперт по ионным каналам и профессор физиологии и биофизики в анестезиологии в Weill Cornell Medicine, уже сделали значительный прогресс в понимании того, как цАМФ/цГМФ регулируют каналы CNG. Например, в статье 2018 года они использовали высокоскоростную АСМ, чтобы показать, как бактериальный канал CNG, SthK, меняет конформацию при связывании с цАМФ, открывающим каналы, или эффективным цГМФ, закрывающим каналы.

В новом исследовании они снова объединились, и к ним также присоединился эксперт по моделированию молекулярной динамики доктор Гельмут Грубмюллер из Института междисциплинарных наук Макса Планка в Германии. Их основным методом на этот раз был метод измерения силы, связанный с АСМ, называемый силовой спектроскопией одиночной молекулы АСМ, который достаточно чувствителен, чтобы измерить силу связывания только одной молекулы цАМФ или цГМФ с ее участком связывания на ионном канале. С помощью этого и с помощью компьютерного моделирования они количественно определили, как цАМФ и цГМФ различаются по силе и глубине связывания с одним и тем же сайтом связывания на SthK посредством взаимодействия с различными кластерами атомов в сайте связывания.

«Циклический AMP может получить доступ к более сильно связанному состоянию, то есть он дольше остается в своем месте связывания на ионном канале по сравнению с цГМФ, что позволяет предположить, что это глубоко связанное состояние является ключом к активации канала», — сказал первый автор исследования доктор. Янган Пан, научный сотрудник лаборатории Шойринга.

Канал SthK — это всего лишь одна из моделей CNG-каналов млекопитающих, и исследователи планируют дальнейшие исследования CNG-каналов млекопитающих. Но они считают, что их результаты SthK уже освещают фундаментальный механизм того, как цАМФ и цГМФ работают как регуляторы в их многочисленных ролях в биологии.

«Сайты связывания цАМФ/цГМФ находятся не только на ионных каналах, но и на сигнальных ферментах, факторах транскрипции и других белках», — сказал доктор Нимиджеан. «Мы подозреваем, что в каждом случае природа настроила то, как эти белки распознают цАМФ/цГМФ, в соответствии с функциями этих белков».