«История этого исследования началась, когда наши коллеги из Лаборатории нейрорецепторов и нейрорегуляторов попросили изучить динамику и свойства рецептора TRPV1 для создания новых противовоспалительных и анальгетических препаратов,
– рассказывает Антон Чугунов, кандидат физико-математических наук, сотрудник Лаборатории моделирования биомолекулярных систем ИБХ РАН, один из авторов статьи.
– Её бывший руководитель, известный в мире учёный Евгений Васильевич Гришин, стал инициатором этого исследования, его памяти мы и посвятили нашу работу. Мы довольно быстро предоставили коллегам необходимую информацию, но в ходе расчетов обнаружили, что можем наблюдать нечто большее – эффект температурной активации рецептора. Это настолько тонкий процесс, а моделирование методом молекулярной динамики, которое позволяет изучать «поведение» белков, – настолько пока что неточный «молекулярный микроскоп», что мы были поражены открывшимся возможностям».
Рецептор TRPV1 – один из членов семейства TRP-рецепторов (белков), который участвует в системе поддержания постоянной температуры тела. В конце 1990-х годов известный американский учёный Дэвид Джулиус из Калифорнийского университета Сан-Франциско впервые выявил терморегулирующую функцию этого ионного канала, который при повышении температуры начинает пропускать ионы натрия, магния и кальция сквозь клеточную мембрану, подавая клетке сигнал об изменении окружающих условий. Позже профессор Джулиус расшифровал пространственную структуру рецептора TRPV1 при помощи метода крио-электронной микроскопии, который позволяет рассмотреть замороженный при высоком давлении объект незначительного размера (10-15 нм).
На иллюстрации: структуры TRPV1
Однако эта структура имела недостатки: статический замороженный рецептор частично не поддавался расшифровке в области динамических изменений, которая является наиболее интересной для учёных. Поэтому до настоящего момента процесс активации рецептора оставался не до конца ясным. Антон Чугунов вместе с коллегами из ИБХ РАН сумели воссоздать структуру рецептора «в динамике». Такие модели – острие прогресса комьютерной биохимии, недаром недавние модели серотонинового рецептора «in action» и такой же модели белкового комплекса, переносящего липиды через гематоэнцефалический барьер, о которых мы уже писали, стали важным событием.
«Мы взяли компьютерную модель рецептора в двух состояниях: в открытом и в закрытом,
– объясняет Антон Чугунов.
– Чтобы увидеть его работу, мы провели впечатляющие по длительности расчеты молекулярной динамики (целый год!), а также воспользовались методом компьютерного «картирования» поры. Мы «разворачивали» пору, то есть проецировали свойства ее внутренней – каналобразующей – поверхности на плоскость и наглядно визуализировали их при разных температурах. С помощью специально разработанной программы мы следили за изменением радиуса поры, которое происходило постепенно во времени: шаг за шагом, как это происходит в живой клетке.
Зарегистрированные сильные скачки на графике означали, что пора меняла состояние с закрытого на открытое, но не наоборот. Мы знали, что рецептор активируется при температуре выше 43°С, причём каждый может ощутить это, опустив руку в горячую воду. Поэтому мы посчитали молекулярную динамику для каждого состояния при четырех температурах: две были выше и две ниже 43°С. Результаты оказались неожиданными».
Логично было предполагать, что рецептор, расчёт молекулярной динамики которого был запущен в состоянии закрытой поры канала, должен оставаться закрытым при двух нижних температурах и открываться при двух высоких, и наоборот. Однако вычислительный эксперимент показал, что в закрытом состоянии пора канала открывалась при высоких температурах, но при расчёте из открытого состояния поры низкие температуры не закрывали пору в течение расчётного времени (до 1 микросекунды).
«Получилась некая асимметрия: ионному каналу гораздо проще открываться, чем закрываться,»
– заключает Антон.
Опубликованные данные показывают, что современные вычислительные мощности помогают исследовать ионные каналы и особенности их работы во временных интервалах, которые пока невозможно регистрировать экспериментально. Кроме того, ученые могут наблюдать за переходами внутри молекулы рецептора, как если бы у них был настоящий «молекулярный микроскоп».
По словам представителей ИБХ РАН, конечной целью работы должно стать создание в ближайшем будущем виртуального рецептора TRPV1, пригодного для предсказания структуры селективных лигандов (особых молекул, «обслуживающих» белки). Ожидается, и не без основания, что такие лиганды найдут применение в медицине как анальгетические лекарства и будут лишены большинства побочных эффектов, свойственных современным препаратам группы нестероидных противовоспалительных средств.
#ИБХ
#модели
Текст: Юлия Шуляк (ИБХ РАН), Алексей Паевский
Temperature-sensitive gating of TRPV1 channel as probed by atomistic simulations of its trans- and juxtamembrane domains
Anton O. Chugunov, Pavel E. Volynsky, Nikolay A. Krylov, Dmitry E. Nolde & Roman G. Efremov
Scientific Reports 6, Article number: 33112 (2016)
doi:10.1038/srep33112
