Penelitian Baru Mengungkap Fungsi Asal Molekuler untuk Target Obat Utama

Para ilmuwan di Rumah Sakit Penelitian Anak St. Mary, Jude, berkolaborasi secara internasional, menggunakan ilmu data, farmakologi, dan detail struktural untuk mengeksplorasi pada tingkat atom bagaimana setiap amino kecut dalam reseptor pengikat adrenalin yang mempengaruhi aktivitasnya saat berinteraksi dengan ligan alami ini.

Mereka menemukan yang mana Asam amino mengontrol sifat farmakologis utama ligan. Reseptor adrenalin yang diteliti adalah anggota keluarga reseptor berpasangan protein G (GPCR), dan keluarga ini merupakan target dari sepertiga dari semua obat yang disetujui oleh Food and Drug Administration (FDA). Oleh karena itu, memahami bagaimana GPCR merespons ligan alami atau terapeutik sangat penting untuk mengembangkan terapi baru dengan efek yang sesuai pada aktivitas reseptor. Karya tersebut diterbitkan hari ini di Sains.

Untuk memahami cara kerja jam tangan, seseorang dapat membongkarnya sepotong demi sepotong, dan mempelajari peran masing-masing komponen dalam fungsi penunjuk waktunya. Demikian pula, dalam protein seperti GPCR, setiap asam amino mungkin memainkan peran berbeda dalam cara protein merespons sinyal eksternal. Para peneliti di St. Jude, bekerja sama dengan para ilmuwan dari Universitas Stanford, Universitas Montreal, Laboratorium Biologi Molekuler MRC, dan Universitas Cambridge, menyelidiki reseptor β2-adrenergik (β2AR) dengan mengganti satu asam amino pada satu waktu untuk memahami kontribusi setiap asam amino dalam reseptor ini untuk memediasi respons sinyal.

“Para ilmuwan mempelajari bagaimana gen berkontribusi pada fungsi sel dengan mengganggunya satu per satu. Kami bertanya, 'Mengapa kita tidak membawanya satu tingkat lebih dalam? Mari kita pahami bagaimana setiap asam amino berkontribusi terhadap fungsi reseptor dengan memutasinya, satu demi satu asam amino,'” kata rekan penulis M. Madan Babu, Ph.D., dari Departemen Biologi Struktural St. Louis. Direktur Pusat Keunggulan Penemuan Berbasis Data dan Ketua Diberkahi George J. Pedersen dalam Ilmu Data Biologi. “Melalui evolusi, setiap asam amino dalam reseptor telah dibentuk dengan cara tertentu untuk memastikan bahwa asam amino tersebut mengikat ligan alami, dalam hal ini adrenalin, dan menimbulkan respons fisiologis yang sesuai.”

Menemukan fungsi dalam formulir

GPCR adalah protein yang menjangkau membran sel dan menghubungkan bagian luar sel ke lingkungan internal dengan mengirimkan sinyal eksternal ke dalam sel. Dalam kasus β2AR, adrenalin berikatan dengan GPCR di luar sel, memicu respons di dalam sel.

Ketika suatu ligan berikatan menyebabkan perubahan bentuk reseptor, terutama pada daerah intraseluler reseptor tempat protein G berikatan. Situs pengikatan ligan dan protein G berada di sisi berlawanan dari protein tetapi terhubung melalui jaringan kontak asam amino kompleks yang menjangkau seluruh protein. Perubahan konformasi (bentuk) pada GPCR mengaktifkan protein G untuk memicu respons sinyal hilir dalam sel. Melalui efek pada banyak jaringan dan GPCR, termasuk β2AR, adrenalin dapat memicu respons melawan-atau-lari, seperti saat terjadi lonjakan adrenalin.

Untuk memahami peran setiap asam amino dalam GPCR, Franziska Heydenreich, Ph.D., sekarang dari Philipps University of Marburg, pemimpin dan rekan penulis proyek ini, memutasi masing-masing dari 412 asam amino dalam β2AR. Dia kemudian mengevaluasi respon setiap mutan terhadap ligan adrenalin dan menentukan sifat farmakologi klasik dari kemanjuran dan potensi. Khasiat mengukur respons maksimum yang dapat dihasilkan oleh suatu ligan, dan potensi mengukur jumlah ligan yang diperlukan untuk memperoleh setengah dari respons maksimum. Tujuannya adalah untuk mengungkap, pada skala atom, bagaimana setiap asam amino berkontribusi terhadap sifat farmakologis ini.

“Yang mengejutkan, hanya sekitar 80 dari lebih dari 400 asam amino yang berkontribusi terhadap sifat farmakologis ini. Dari asam amino yang relevan secara farmakologi, hanya sepertiganya yang terletak di wilayah di mana ligan atau protein G berikatan dengan reseptor,” kata Heydenreich.

“Menarik untuk mengamati bahwa ada beberapa asam amino yang mengontrol kemanjuran, beberapa yang mengontrol potensi, dan beberapa yang mempengaruhi keduanya,” kata Babu. Artinya, jika Anda ingin membuat obat yang lebih manjur atau manjur, Anda kini mengetahui bahwa ada residu tertentu yang perlu dipengaruhi oleh ligan baru. Para peneliti juga mencatat bahwa kontribusi masing-masing residu terhadap kemanjuran dan potensi tidaklah sama, sehingga menyiratkan lebih banyak peluang untuk menyempurnakan respons obat sambil merancang ligan terapeutik baru.

“Khasiat dan potensi telah diukur untuk berbagai sistem sinyal reseptor ligan selama beberapa dekade. “Kami sekarang dapat memahami bagaimana asam amino spesifik dalam rangkaian protein dapat mempengaruhi sifat farmakologis ini,” jelas Babu.

“Aspek menarik dari hasil ini adalah potensi dan kemanjuran dapat diatur secara independen melalui mekanisme yang berbeda. Hal ini memberikan dasar untuk memahami bagaimana variasi genetik mempengaruhi respons obat di antara individu,” tambah Michel Bouvier, PhD, rekan penulis dari Departemen Biokimia dan Kedokteran Molekuler dan Direktur Jenderal Institut Penelitian Imunologi dan Kanker Universitas Montreal.

Jaringan yang indah

Penelitian sebelumnya menggambarkan struktur keadaan aktif dan tidak aktif β2AR. Berdasarkan pengetahuan ini, para peneliti memulai penyelidikan baru. Mereka mengeksplorasi apakah dua pertiga asam amino yang relevan secara farmakologis yang sebelumnya terbukti tidak terlibat dalam pengikatan ligan atau protein G mungkin berperan dalam transisi antara keadaan aktif dan tidak aktif reseptor.

“Kami mulai secara sistematis mengamati setiap kontak residu unik dalam keadaan aktif,” kata Heydenreich, “untuk memahami apakah semua asam amino yang melakukan kontak dengan keadaan aktif itu penting.”

Para peneliti mengembangkan kerangka ilmu data untuk secara sistematis mengintegrasikan data farmakologis dan struktural dan mengungkapkan gambaran komprehensif pertama dari sinyal GPCR. “Saat kami memetakan data farmakologi ke dalam struktur, mereka membentuk jaringan yang indah,” kata Babu.

“Ini memberikan wawasan baru tentang jaringan alosterik yang menghubungkan kantong pengikat ligan ke situs pengikatan protein G yang mengatur kemanjuran dan potensi.” Ditambahkan Brian Kobilka, salah satu penulis dan pemenang Hadiah Nobel Kimia 2012 dari Stanford University School of Medicine.

Dengan memahami sinyal GPCR pada tingkat atom, para peneliti optimis bahwa mereka dapat mulai menyelidiki lebih dalam – untuk melihat sub-keadaan sementara antara konformasi aktif dan tidak aktif dan untuk mengeksplorasi lanskap konformasi protein.

“Kami sekarang tahu mutan mana yang harus dicari, mutan yang hanya memengaruhi kemanjuran, potensi, atau keduanya,” kata Heydenreich.

“Sekarang, kita dapat melakukan perhitungan dinamika molekuler dan eksperimen molekul tunggal pada mutan-mutan ini untuk mengungkap mekanisme yang tepat dimana jaringan alosterik mempengaruhi kemanjuran dan potensinya untuk memediasi respons sinyal. Ini adalah arah yang kami kejar melalui Kolaborasi Penelitian St. Louis. Jude tentang GPCR yang mencakup PI dari beberapa institusi.” Babu menjelaskan.

Terlepas dari residu “penggerak” yang terlibat dalam memediasi kontak teraktivasi negara tertentu dan mempengaruhi farmakologi ketika bermutasi, Babu dan rekan-rekannya bermaksud untuk menyelidiki temuan penting lainnya yang diungkapkan oleh penelitian ini. Mereka bertujuan untuk mempelajari asam amino “penumpang” yang, meskipun bersentuhan dalam keadaan aktif, tidak mempengaruhi kemanjuran atau potensi ketika bermutasi. Mereka juga tertarik pada residu “modulator” yang tidak memediasi kontak aktif dengan keadaan tertentu tetapi mengubah farmakologi ketika bermutasi. Pendekatan ilmu data mereka, yang mengintegrasikan informasi struktural dan pengukuran farmakologis, tidak terbatas pada β2AR. Hal ini dapat diperluas ke GPCR mana pun untuk meningkatkan pemahaman kita tentang mekanisme yang mengatur kelompok target obat yang penting ini.

Referensi: “Penentu molekuler kemanjuran dan potensi ligan dalam pensinyalan GPCR” oleh Franziska M. Heydenreich, Maria Marti-Solano, Manbir Sandhu, Brian K. Kobilka, Michel Bouvier dan M. Madan Babu, 22 Desember 2023, Sains.
DOI: 10.1126/science.adh1859

Penulis penelitian lainnya termasuk Maria Marti-Solano, Universitas Cambridge, dan Manbir Sandhu, St. Louis.

Penelitian ini didukung oleh hibah dari Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowships dari penelitian European Union's Horizon 2020 (844622, 832620), American Heart Association (19POST34380839), the Institut Kesehatan Nasional (R01NS028471), Institut Penelitian Kesehatan Kanada (FDN#148431), Dewan Penelitian Medis Inggris (MC_U105185859), Royal Society University (URFR1221205), Isaac Newton Trust (22.23(d)), Wellcome Trust Institutional Strategic Support Fund, dan ALSAC , organisasi penggalangan dana dan kesadaran St. Jude.