МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ №1, 2013 (4)

Серпентины являются передатчиками сигналов внутрь клеток, позволяя им, различным органам и системам организма общаться друг с другом, а также получать информацию об окружающей среде. Существует более 800 различных GPCR, которые находятся в мембранах клеток человека и распознают широкий диапазон внеклеточных агентов, включающих ионы, гормоны, пептиды и т. д. Примерами хорошо известных молекул, на которые реагируют рецепторы, кроме адреналина, являются серотонин, дофамин, гистамин, кофеин, опиоиды и многие другие. Функции около 150 рецепторов, обнаруженных в геноме человека, остается невыясненной.

Процессы, контролируемые GPCR, дают нам возможность видеть, ощущать запахи, реагировать на опасность, испытывать боль или чувствовать эйфорию, поддерживать кровяное давление и регулировать сердцебиение, т. е. все, что необходимо для регулирования жизнедеятельности организма. Иногда сигнальные процессы нарушаются, приводя к многочисленным и зачастую тяжелым заболеваниям. Многие заболевания, однако, возможно излечить, воздействуя на рецепторы лекарственными препаратами. На самом деле около половины всех современных лекарств нацелены на рецепторы, сопряженные с G-белками. Таким образом, исследования, направленные на определения структуры GPCR рецепторов и механизмов передачи сигналов, должны позволить глубже понять причины многих заболеваний, а также дать толчок к разработке более эффективных лекарств с минимальными побочными эффектами.

История исследований GPCR насчитывает более 100 лет. Рецептор, реагирующий на свет – родопсин – был обнаружен и выделен в 1870 году немецким ученым Вильгельмом Кюне. К началу 70-х годов ХХ века было известно, что мышечные клетки можно активировать или тормозить путем воздействия определенными молекулами. Часть механизма внутриклеточных реакций тоже была известна, а также было ясно, что молекулы, возбуждающие клетки, не проникают внутрь клеток. Таким образом, было постулировано существование некоторой рецепторной субстанции, которая реагирует на внеклеточные молекулы и передает сигнал внутрь клеток.

Вот здесь и начинается химия. Поиском этой неуловимой рецепторной субстанции и занялся Роберт Лефковиц, используя адреналин со встроенным радиоактивным изотопом йода. Эти исследования позволили определить, что адреналин связывается с некоторым белком на поверхности клетки, который и является рецептором. То, что сигнал внутри клетки передается путем активирования G-белков внутри клетки, было к этому времени уже обнаружено Родбеллом и Гиллманом (за что оба ученых получили Нобелевскую премию по медицине в 1994 году).

Однако химическая идентификация рецепторного белка, требующая определения аминокислотной последовательности GPCR, оставалась большой проблемой, поскольку все рецепторы – за исключением родопсина – производятся клетками в исключительно малом количестве. Впервые выделить и определить последовательность бета-адренорецептора (рецептора, реагирующего на адреналин) удалось в 1986 году опять же в лаборатории Лефковица с участием Брайана Кобилки, проводившего постдокторальные исследования.

Исследование принесло большой сюрприз: анализ аминокислотной последовательности показал, что адренорецептор состоит из семи трансмембранных альфа-спиралей и очень похож на зрительный рецептор родопсин. К тому времени изучение структуры родопсина было более продвинутым благодаря работам нескольких лабораторий, включая советских ученых под руководством Юрия Овчинникова.

Эти работы Лефковица и Кобилки показали, что рецепторы с совершенно различными функциями химически могут быть близкими родственниками и что, возможно, существуют и другие рецепторы с похожей структурой. Действительно, секвенирование генома человека позволило обнаружить более 800 генов, кодирующих серпентины. (Секвенирование – определение аминокислотной последовательности, от лат. sequentum – последовательность). Стало ясно, что передача сигналов с помощью GPCR является универсальным механизмом общения между клетками, а также клеток с окружающей средой.

Для того чтобы полностью понять механизм работы GPCR, необходимо было знание их пространственной структуры с атомным разрешением. А это – чисто химическая задача! Такие структуры можно описать только с помощью рентгеноструктурного анализа, требующего выращивания высокоупорядочных кристаллов. Серпентины, однако, были знамениты трудностью их кристаллизации, которой занимались многие во всем мире.

Первую структуру GPCR получил Пальчевский в 2000 году, закристаллизовав тот же родопсин, который является наиболее стабильным и наименее подвижным из всех серпентинов. Понадобилось еще 7 лет, прежде чем была определена первая структура человеческого рецептора, реагирующего на адреналин.