Un equipo internacional de investigadores utilizó un láser de rayos X en el Laboratorio Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía para crear los primeros mapas detallados de dos receptores de melatonina que le dicen a nuestros cuerpos cuándo dormir o despertar y guiar otros procesos biológicos. Una mejor comprensión de cómo funcionan podría permitir a los investigadores diseñar mejores medicamentos para combatir los trastornos del sueño, cáncer y diabetes tipo 2. Sus hallazgos se publicaron hoy en dos artículos en Naturaleza .

El equipo, dirigido por la Universidad del Sur de California, utilizó rayos X de la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC para mapear los receptores, MT1 y MT2, unido a cuatro compuestos diferentes que activan los receptores:un fármaco para el insomnio, un medicamento que mezcla melatonina con el antidepresivo serotonina, y dos análogos de melatonina.

Descubrieron que ambos receptores de melatonina contienen canales estrechos incrustados en las membranas grasas de las células de nuestro cuerpo. Estos canales solo permiten que la melatonina, que puede existir tanto en el agua como en la grasa, pase, bloqueo de la serotonina, que tiene una estructura similar pero solo es feliz en ambientes acuosos. También descubrieron cómo algunos compuestos mucho más grandes solo pueden apuntar a MT1 y no a MT2, a pesar de las similitudes estructurales entre los dos receptores. Esto debería informar el diseño de medicamentos que se dirigen selectivamente a MT1, que hasta ahora ha sido un desafío.

"Estos receptores realizan funciones inmensamente importantes en el cuerpo humano y son importantes dianas de fármacos de gran interés para la industria farmacéutica". "dijo Linda Johansson, becario postdoctoral en la USC que dirigió el trabajo estructural en MT2. "A través de este trabajo pudimos obtener una comprensión muy detallada de cómo la melatonina es capaz de unirse a estos receptores".

Hora de acostarse

La gente lo hace los pájaros lo hacen, los peces lo hacen. Casi todos los seres vivos del reino animal duermen, y por una buena razón.

"Es fundamental que el cerebro descanse y procese y almacene los recuerdos que hemos acumulado durante el día, "dijo el coautor Alex Batyuk, científico de SLAC. "La melatonina es la hormona que regula nuestros ciclos de sueño y vigilia. Cuando hay luz, se inhibe la producción de melatonina, pero cuando llega la oscuridad, esa es la señal para que nuestros cerebros se vayan a dormir ".

Los receptores de melatonina pertenecen a un grupo de receptores de membrana llamados receptores acoplados a proteína G (GPCR) que regulan casi todos los procesos fisiológicos y sensoriales del cuerpo humano. MT1 y MT2 se encuentran en muchos lugares del cuerpo, incluido el cerebro, retina, sistema cardiovascular, hígado, riñón, bazo e intestino ..

Estos receptores supervisan nuestros genes de reloj, los cronometradores del reloj interno del cuerpo, o ritmo circadiano. En un mundo perfecto, nuestros relojes internos se sincronizarían con la salida y la puesta del sol. Pero cuando la gente viaja a través de zonas horarias, trabajar en turnos nocturnos o pasar demasiado tiempo frente a pantallas u otras fuentes artificiales de luz azul, estos cronometradores están fuera de control.

Controlando el ritmo

Cuando nuestros ritmos circadianos se interrumpen, puede conducir a psiquiatría, metabólico, oncológicas y muchas otras condiciones. MT1, en particular, juega un papel importante en el control de estos ritmos, pero ha resultado difícil diseñar fármacos que puedan dirigirse selectivamente a este receptor. Muchas personas toman suplementos de melatonina de venta libre para combatir los problemas del sueño o cambiar sus ritmos circadianos. pero los efectos de estos fármacos suelen desaparecer en cuestión de horas.

Al descifrar los planos de estos receptores y mapear cómo los ligandos se unen y los activan, los investigadores allanaron el camino para que otros diseñen medicamentos más seguros, más eficaz y capaz de dirigirse selectivamente a cada receptor.

"Desde el descubrimiento de la melatonina hace 60 años, Ha habido muchos descubrimientos históricos que llevaron a este momento, "dijo Margarita L. Dubocovich, un distinguido profesor de farmacología y toxicología de SUNY en la Universidad de Buffalo que fue pionero en la identificación de receptores de melatonina funcionales a principios de los 80 y proporcionó una perspectiva externa sobre esta investigación. "A pesar del notable progreso, El descubrimiento de fármacos selectivos MT1 ha sido difícil de alcanzar para mi equipo y los investigadores de todo el mundo. La elucidación de las estructuras cristalinas de los receptores MT1 y MT2 abre un nuevo capítulo emocionante para el desarrollo de fármacos para tratar trastornos del sueño o del ritmo circadiano que se sabe que causan trastornos psiquiátricos, metabólico, oncológicas y muchas otras condiciones ".

Cosecha de cristales

Para mapear biomoléculas como proteínas, Los investigadores suelen utilizar un método llamado cristalografía de rayos X, dispersando rayos X de versiones cristalizadas de estas proteínas y usando los patrones que esto crea para obtener una estructura tridimensional. Hasta ahora, el desafío con el mapeo de MT1, MT2 y receptores similares fue lo difícil que fue hacer crecer cristales lo suficientemente grandes como para obtener estructuras de alta resolución.

"Con estos receptores de melatonina, realmente tuvimos que hacer un esfuerzo adicional, "dijo Benjamin Stauch, quien dirigió el trabajo estructural en MT1. "Mucha gente había intentado cristalizarlos sin éxito, así que tuvimos que ser un poco inventivos ".

Una pieza clave de esta investigación fue el método único que utilizaron los investigadores para hacer crecer sus cristales y recopilar datos de difracción de rayos X a partir de ellos. Para esta investigación, el equipo expresó estos receptores en células de insectos y los extrajo con detergente. Mutaron estos receptores para estabilizarlos, permitiendo la cristalización. Después de purificar los receptores, los colocaron en un gel similar a una membrana, que apoya el crecimiento de cristales directamente del entorno de la membrana. Después de obtener microcristales suspendidos en este gel, utilizaron un inyector especial para crear una corriente estrecha de cristales que eliminaron con rayos X de LCLS.

"Debido al diminuto tamaño del cristal, este trabajo solo se puede realizar en LCLS, "dijo Vadim Cherezov, un profesor de la USC que supervisó ambos estudios. "Estos pequeños cristales no difractan bien en las fuentes de sincrotrón, ya que rápidamente sufren daños por radiación. Los láseres de rayos X pueden superar el problema del daño por radiación a través del principio de 'difracción antes de la destrucción'".

Los investigadores recolectaron cientos de miles de imágenes de los rayos X dispersos para descubrir la estructura tridimensional de estos receptores. También probaron los efectos de docenas de mutaciones para profundizar su comprensión de cómo funcionan los receptores.

Además de descubrir diminutos, control de los canales de melatonina en los receptores, los investigadores pudieron mapear mutaciones asociadas a la diabetes tipo 2 en el receptor MT2, por primera vez viendo la ubicación exacta de estas mutaciones en el receptor.

Sentar las bases

En estos experimentos, los investigadores solo observaron compuestos que activan los receptores, conocidos como agonistas. Para dar seguimiento, esperan mapear los receptores unidos a los antagonistas, que bloquean los receptores. También esperan usar sus técnicas para investigar otros receptores GPCR en el cuerpo.

"Como biólogo estructural, Fue emocionante ver la estructura de estos receptores por primera vez y analizarlos para comprender cómo estos receptores reconocen selectivamente sus moléculas de señalización. ", Dijo Cherezov." Los conocemos desde hace décadas, pero hasta ahora nadie podía decir cómo se ven realmente ". Ahora podemos analizarlos para comprender cómo reconocen moléculas específicas, que esperamos sienta las bases para mejorar, fármacos más eficaces ".