Исследователи из Калифорнийского технологического института разработали подход, позволяющий преодолеть главный камень преткновения при тестировании новых лекарств. Об исследовании сообщается в статье от 24 ноября в Journal of Biological Chemistry.
Белки, встроенные в клеточные мембраны, являются потенциальными мишенями для лекарств для лечения ряда заболеваний, от инфекционных до рака. Мембранные белки (которые включают транспортеры, каналы и рецепторы) являются мишенями почти 70% одобренных FDA лекарств.
Однако исследователям, как известно, трудно производить мембранные белки в лаборатории в достаточном количестве, чтобы иметь возможность очищать их и проводить эксперименты с потенциальными лекарствами. Профессора Томас Ф. Миллер III и Уильям М. Клемонс-младший с факультета химии и химического машиностроения Калифорнийского технологического института задались вопросом, есть ли способ помочь исследователям, столкнувшимся с этой проблемой.
«Наша мотивация для этого проекта была на самом деле рождена из-за разочарования в этой общей проблеме, которая заключается в том, что мембранные белки очень трудно производить в больших масштабах для экспериментальных целей», - сказал Клемонс..
Чтобы получить интересующие белки, исследователи обычно вводят ген, кодирующий белок, в лабораторную клеточную линию, такую как E. coli; этот процесс называется гетерологичной сверхэкспрессией белка. Но мембранные белки обычно избыточно экспрессируются только в очень небольших количествах по причинам, которые до сих пор были плохо изучены. Отдельные исследователи иногда тратят годы, пытаясь модифицировать интересующие их белки таким образом, чтобы они могли более эффективно экспрессироваться в лаборатории.
«Люди просто рыщут в темноте в надежде найти что-то, что работает лучше, чтобы они могли получить достаточно белка для выполнения своих исследований», - сказал Миллер. «Нужны новые инструменты, чтобы рационально улучшить это, сделать это более целеустремленным образом».
Чтобы увидеть, существуют ли какие-либо общие принципы, которыми можно руководствоваться при попытках улучшить экспрессию мембранных белков, Клемонс и Миллер, а также их аспиранты Мишель Дж. М. Нисен и Стивен С. Маршалл сосредоточились на конкретном этапе процесса: моменте, когда клетка фактически вставляет в мембрану только что синтезированный белок.
Эффективность встраивания, то есть доля времени, в течение которого белок правильно встраивается в мембрану, зависит от аминокислотной последовательности белка. Команда разработала метод компьютерного моделирования, чтобы предсказать, как изменение последовательности повлияет на эффективность вставки.
В новом исследовании команда проверила, как эта прогнозируемая эффективность связана с экспрессией белка в лаборатории. Команда систематически производила множество вариантов определенного белка и использовала алгоритм для прогнозирования эффективности встраивания в мембрану каждого варианта. Затем исследователи подсчитали, сколько белка было произведено. Как они и предполагали, повышенная эффективность введения коррелирует с повышенным выходом белка.
Теперь исследователи, заинтересованные в изучении конкретного мембранного белка, могут использовать эти инструменты моделирования, чтобы предсказать, какие изменения они должны внести в свою белковую последовательность, чтобы произвести мембранный белок в лаборатории. Есть предостережения: если конкретный белок в конкретном типе клеток подвержен неэффективности на других этапах его синтеза, кроме вставки в мембрану, то новый метод может не помочь. Но исследователи уверены, что этот метод предлагает путь вперед для многих исследователей мембранных белков, пытающихся выразить свои белки.
«Мы считаем, что инструменты, которые мы разработали здесь, могут действительно произвести революцию в экспрессии мембранных белков», - сказал Клемонс. «Есть еще кое-что, что нам нужно сделать, чтобы полностью понять это, но эта статья демонстрирует, что потенциал есть».
Исследователи теперь объединяются с другими, чтобы заставить эти инструменты работать.
«Существует много мишеней мембранных белков, которые имеют реальное значение и реальную ценность для целей фармацевтики и разработки лекарств, - сказал Миллер. - Если мы сможем помочь людям, приблизив неуловимую цель, это будет большой победой».."
Работа финансировалась Национальным институтом здравоохранения, Управлением военно-морских исследований и Калифорнийским технологическим институтом.