RECEPTORY GPCR STRUKTURY, DZIAŁANIE, LEKI. Sławomir Filipek

Transkrypt

1 RECEPTORY GPCR STRUKTURY, DZIAŁANIE, LEKI Sławomir Filipek Pracownia Biomodelowania Wydział Chemii, Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych, Uniwersytet Warszawski

2 Receptory GPCR (G-protein-coupled receptors) receptory sprzężone z białkiem G Ligandy, m.in. : Fotony (widzenie), jony, substancje smakowe i zapachowe (związki chem.), lipidy, neurotransmitery, hormony. Białko G (trimer) Udział w procesach, m.in. : - przekaźnictwo neuronalne - naczyniowo-sercowe - system immunologiczny - procesy nowotworowe - inne ok % leków jest skierowanych na receptory GPCR

3 Drzewo filogenetyczne receptorów GPCR

4 Receptory GPCR Rodzina A: Rhodopsin-like (ok. 700 receptorów ) Dopaminowe, histaminowe, serotoninowe, r.chemokin, r.interleukin, opioidowe, canabinoidowe, melatoninowe, r. węchowe, Rodzina B: Secretin-like Receptory hormonów: glukagonu, sekretyny, hormonu przytarczycy, smakowe (gorzki) i in. Rodzina C: glutaminianowe / smakowe GABA-B (wiążące kwas -aminomasłowy), receptory smakowe (słodki i umami)

5 Rodziny (klasy) ludzkich receptorów GPCR Miejsca wiązania ligandów: ortosteryczne (główne) i allosteryczne (poboczne)

6 Ortosteryczne i allosteryczne miejsca wiązania ligandów Ortosteryczne miejsce wiążące cholesterol Receptor SMO (class F) Lokalizacja cholesterolu w kompleksach receptorów 2 AR

7 Ligandy allosteryczne - pepducyny Sekwencja peptydu pepducyny jest identyczna z sekwencją jednej z pętli IC receptora GPCR Działają jako agoniści lub antagoniści Nowa klasa selektywnych leków Działanie jako agonista. Model struktury z białkiem G Porównanie ze strukturą dimeru receptora GPCR

8 Ligandy allosteryczne błonowe P2Y1R BPTU Zhang (Wu) et al. Nature 2015

9 Nadrodzina receptorów GPCR ok. 800 typów receptorów Nowy podział na rodziny Receptory glutaminianu Podobne do rodopsyny Adhezyjne Frizzled / smakowe Receptory sekretyny Glutamate Rhodopsin like Adhesion Frizzled / taste Secretin GRAFS nazwa tego podziału

10 Rodzina (A) - Rhodopsin like (zawiera 90% receptorów GPCR) Amine Peptide Hormone protein (Rhod)opsin Olfactory Prostanoid Nucleotide-like Cannabinoid Platelet activating factor Gonadotropin-releasing hormone Thyrotropin-releasing hormone & Secretagogue Melatonin Viral Lysosphingolipid & LPA (EDG) Leukotriene B4 receptor Orphans (receptory sieroce tzn. funkcja jeszcze nieznana )

11 GPCRs Rhodopsin like peptide Angiotensin Bombesin Bradykinin C5a anaphylatoxin APJ like Fmet-leu-phe Interleukin Chemokine CCK (cholecystokinin) Endothelin Melanocortin Neuropeptide Y Neurotensin Opioid Somatostatin Tachykinin Vasopressin-like Galanin like Protease-activated Orexin & neuropeptide FF Urotensin II Adrenomedullin (G10D) GPR37 / endothelin B Neuromedin U Somatostatin- and angiogenin peptide Allatostatin C / drostatin C Blokada receptor chemokinowego CCR5 zapobiega zarażeniu wirusem HIV (edytowanie genów) Dalszy podział na podtypy: ( ) MOR, ( ) DOR, ( ) KOR

12 Leki działające na receptory GPCR (receptory związane z białkiem G)

13 Receptory GPCR - działanie Budowa receptora GPCR (7TM) Helisy receptora GPCR są prostopadłe do powierzchni błony lipidowej Związanie liganda powoduje zmianę kształtu receptora

14 Receptory GPCR wzmocnienie sygnału ~500x500 Budowa białka G (G ) Po związaniu białka G z receptorem następuje wymiana GDP na GTP Podjednostka G aktywuje enzym cyklazę adenylanową (AC) która wytwarza c-amp (przekaźnik II-rodzaju), który z kolei aktywuje kanały jonowe.

15 Rodopsyna i proces widzenia Enzym fosfodiesteraza (PDE): zmniejsza stężenie przekaźników II-rodzaju (kanały jonowe zamykają się)

16 Struktura rodopsyny Grupy sacharydowe TM5 TM4 Retinal Łańcuchy palmitynowe TM6 TM3 TM2 TM7 TM1 H8 Izomeryzacja cis-trans retinalu GPCR.sce

17 Krystaliczne dimery rodopsyny H8 TM1 TM1 1HZX (2000 r.) monomery antyrównoległe TM5 TM5 1GZM (2003 r.)

18 Oligomer rodopsyny struktura hierarchiczna Obrazy z mikroskopu sił atomowych (AFM) D. Fotiadis et al., Nature 2003

19 Model natywnego oligomeru rodopsyny Protein Data Bank, id=1n3m (2003)

20 Rola dimeryzacji w cyklu życiowym receptorów GPCR S.Terrillon at al. EMBO Rep. 2004

21 Dimeryzacja - struktury TM5-TM6 TM1-H8 TM5-TM6 Cholesterol stabilizuje dimery Manglik (Granier) et al. Nature 2012 OPR oligomer

22 Dimeryzacja receptorów GPCR znaczne rozszerzenie funkcjonalności tych receptorów Odpowiedź receptorów opioidowych delta i kappa na związanie agonisty 6 -GNTI Dimer receptora opioidowego kappa:

23 Struktury krystaliczne receptorów GPCR Rodopsyna 2000 r. Receptor 2 AR 2007 r. Receptor A 2A R 2008 r. GPCR.sce

24 Nagroda Nobla z Chemii 2012 Robert J. Lefkowitz Howard Hughes Medical Institute, Duke University Medical Center, Durham, NC, USA Brian K. Kobilka Stanford University School of Medicine, Stanford, CA, USA "for studies of G-protein-coupled receptors" Prace nad: receptory adrenergiczne α i β, kinaza GRK, sygnalizacja przez arestynę.

25 Obecne techniki krystalizacyjne dla GPCR Mikrokrystalografia Stabilizacja termiczna przez mutacje Stabilizujące białka: lizozym, apocytochrom, przeciwciało 2 -adrenergic receptor Neurotensin receptor

26 Białka stabilizujące strukturę GPCR Structure 2012

27 Własności ligandów receptorów Agonista Antagonista Inwersyjny agonista

28 Procedura powstawania nowego leku

29 Zmiana struktury receptora po związaniu agonistów, antagonistów, i inwersyjnych agonistów Rec. adenozynowy A 2A R Rec. adrenergiczny 2 AR Yuan (Vogel) et al. Nature Comm Chan et al. Sci. Rep. 2016

30 Badanie oddziaływań ligandów - metoda fingerprintów

31 Przykłady wzorów chemicznych metylocykloheksan 1 prosty wzór sumaryczny, 2 rozwinięty wzór sumaryczny, 3 szkieletowy, płaski wzór strukturalny, 4 szkieletowy, przestrzenny wzór strukturalny, 5 pełny wzór strukturalny. YASARA

32 Efekty polaryzacji ładunku Oddziaływania pomiędzy molekułami niepolarnymi siły van der Waalsa Niestabilne ładunki cząstkowe Stabilne ładunki cząstkowe Oddziaływania stackingowe

33 Siły molekularnego oddziaływania Wiązanie wodorowe Oddziaływania elektronów - (nie tylko benzen-benzen) Oddziaływania elektrostatyczne mieszane Przykład oddziaływań w leku Hydrofobowe = van der Waalsa + entropia

34 Wiązania i oddziaływania chemiczne wiązania kowalencyjne: S S (Cys... Cys) (siła wiązania 250 kj/mol) oddziaływania jonowe: CO H 3 N (Asp... Lys) (siła wiązania 20 kj/mol) wiązania wodorowe: O-H... O(H) (Ser... Ser) siła wiązania 7-30 kj/mol - stackingowe: Ph... Ph (Phe... Phe) siła wiązania 8-12 kj/mol oddziaływania van der Waalsa: C... C (każdy atom) siła wiązania 2 kj/mol wiązania wodorowe i oddziaływania van der Waalsa są bardzo powszechne (także do oddziaływań z otaczającą wodą) i one decydują o III-rzędowej strukturze białka + oddziaływanie ze środowiskiem woda/błona (efekty entropowe)

35 Wiązania w łańcuchach bocznych Leu Leu Ser Gln Val Val Asp Lys

36 Aminokwasy Notacja jedno- i trójliterowa

37 Peptydy: Met-enkefalina - jeden z endogennych środków przeciwbólowych Notacja jednoliterowa: YGGFM Morfina działa na ten sam receptor Podobieństwo? YASARA enkephalin_morph

38 Metoda fingerprintów

39 Określanie funkcji ligandów za pomocą metody dynamicznych fingerprintów Oddziaływania zostały wyznaczone z ostatnich 5 ns z 20 ns symulacji dynamiki molekularnej. Rozróżnianie ligandów ręczne lub za pomocą metod uczenia maszynowego (Artificial Intelligence). Hbonds/ionic interactions hydrophobic interactions Chan et al. Sci. Rep. 2016

40 Określanie funkcji ligandów inne metody Analiza oddziaływań ligandów z helisami oraz pomiędzy helisami Analiza głównych składowych (Principal Component Analysis) ruchów oscylacyjnych kompleksu ligand-receptor

41 Wpływ związania liganda na zmiany struktury receptorów GPCR Niezerowa aktywność podstawowa Mechanizm typu spinacz do bielizny Bokoch et al. (B. Kobilka lab) Nature 2010

42 Aktualny schemat aktywacji. Zmiany energetyczne w receptorach GPCR Rodopsyna Receptory GPCR z dyfundującymi ligandami B. Kobilka, 2014

43 Lokalizacja głównych mikroprzełączników w receptorach GPCR X 1 4 Główne przełączniki: 1. W6.48 w motywie CWxP 2. Y7.53 w motywie NPxxY 3. Zamek jonowy, motyw DRY, TM3-TM6 4. Zamek 3-7, Hbond, helisy TM3-TM7 Nygaard et al. TiPS Numeracja Ballesterosa-Weinsteina: X.50 - numer najbardziej zachowanej ewolucyjnie reszty na każdej helisie transbłonowej (zwykle prolina w środku helisy powodująca jej zgięcie) BW_numbers sce

44 Lokalizacja przełączników TM6 TM7 ligand opioid receptor OR serotonin 5-HT 2C W6.48 F6.44 Y lock Na + TM2 TM1 ionic lock H8 adenosine A 2A receptor G protein rhodopsin adenosine A 2A receptor

45 Podobieństwo agonistów i antagonistów Receptor serotoninowy 5-HT 1A F6.52 Epimery dihydrofuroaporfiny jako ligandy receptora 5-HT 1A W lock

46 Centralny mikroprzełącznik w receptorach kanabinoidowych Agonista (THC) zadokowany do miejsca wiążącego w receptorze CB 1 Zmiana rotamerów w aminokwasach mikroprzełącznika Latek et al. JMM 2011

47 Miejsce wiązania liganda w receptorach opioidowych Naltrekson (antagonista) - OR Butorfanol (agonista) - OR

48 Przejście z pozycji antagonisty do agonisty TM3 TM3 D3.32 Y7.43 Y3.33 D3.32 Y7.43 H6.52 H6.52 W6.48 TM6 TM7 TM6 TM7 Dwie pozycje naltreksonu antagonisty (zielony) i agonisty (pom.) Morfina oba przełączniki wł.

49 Schemat aktywacji receptorów opioidowych Schemat pierwszego etapu aktywacji receptora Morfina - OR