In een artikel in Nature onthullen wetenschappers van de Stanford University, University of Wisconsin en VIB-Vrije Universiteit Brussel de volledige driedimensionale atomaire structuur van een geactiveerde GPCR in actie: de beta-2-adrenergische receptor (beta-2-AR) in complex met zijn G-eiwit. Dit is een belangrijke stap naar het begrijpen van hoe de receptoren ook echt werken.G-eiwit-gekoppelde receptoren (GPCR) zijn populaire doelwitten voor geneesmiddelen, goed voor ongeveer een derde van de goedgekeurde medicijnen en vele honderden medicijnen die momenteel in ontwikkeling zijn. Ze werken als moleculaire schakelaars die boodschappen doorgeven van buiten naar binnen de cel. De verandering van hun vorm is cruciaal voor hun werking. GPCR's zitten aan het oppervlak van de cellen in het lichaam. Ze pikken signalen van buiten het lichaam - zoals geuren, smaken of licht - en signalen vanuit het lichaam, zoals neurotransmitters en hormonen. Zodra deze signalen worden doorgegeven naar de binnenkant van de cel, activeren ze intracellulaire G-eiwitten, die op hun beurt groot aantal biochemische cascades in gang zetten. Ondanks hun belang in de biologie en de geneeskunde was nog niet bekend hoe G-eiwit-gekoppelde receptoren de binding van het hormoon aan de buitenkant van de cel koppelen aan de activatie van het G-eiwit binnenin de cel - een belangrijk obstakel voor het begrijpen van hun werking.
De beta-2AR receptor wordt geactiveerd door de hormonen adrenaline en noradrenaline.Binding van adrenaline op deze receptor ligt aan de basis van de vecht-of-vlucht-reactie van het lichaam, onder meer door het versnellen van de hartslag, het verhogen van de bloeddruk en het openzetten van de luchtwegen. Beta-2AR vormt dan ook een belangrijk doelwit voor medicijnen voor de behandeling van astma of hoge bloeddruk.
Alhoewel de receptor beta-2AR al 20 jaar geleden ontdekt werd, bleef de precieze werking ervan onbekend. Nochtans is dat kennis die kan toegepast worden om de medicijnen die inwerken op deze receptor te verbeteren. Om te werking te verklaren, was het nodig om het signaalcomplex te bestuderen in volle actie, een dans in twee bedrijven met vier sterdansers: het hormoon (adrenaline of noradrenaline), de receptor en het G eiwit dat is samengesteld uit G-alfa-S en G-beta-gamma.
Nu, 20 jaar later, hebben de onderzoekers van Stanford University, University of Wisconsin en VIB-Vrije Universiteit Brussel twee belangrijke freeze-frame foto's van deze dans kunnen vastleggen. In januari 2011 produceerden ze de eerste beelden van een geactiveerde receptor, gekoppeld aan een molecule die werk als het hormoon. In een follow-up artikel in Nature leggen ze nu een sleutelmoment van het ballet vast: de vier partners die elkaar tijdelijk omarmen om het G protein vervolgens op te splitsen in zijn samenstellende delen Galfa-S en G-beta-gamma.
Het verkrijgen van een 3D-beeld van het hormoon:GPCR:G-alfa-beta-gamma-complex bleek niet eenvoudig. Het grote complex is onstabiel, moeilijk te bereiden en de componenten zijn moeilijk tot expressie te brengen en te zuiveren.
Jan Steyaert en Els Pardon aan de Vrije Universiteit Brussel leverden een Xaperone™, een Nanobody™ dat tegelijkertijd bindt aan G-alfa-S en G-beta-gamma en deze eiwitten samenhoudt in het complex.De structuur van dit gestabiliseerd complex werd bepaald met behulp van kristallografische X-straal-technieken. De synchrotron in Argonne (Chicago, VS), één van de meest krachtige bronnen van X-stralen wereldwijd, werd gebruikt als een moleculaire camera.
Wetenschappelijke publicatieRasmussen et al, Crystal structure of the beta-2 adrenergic receptor–Gs protein complex, Nature,
2011 doi: 10.1038/nature10361