Naukowcy z Weill Cornell Medicine szczegółowo pokazali, w jaki sposób białko LRRK2 przechodzi między stanem nieaktywnym i aktywnym oraz jak mutacje związane z chorobą Parkinsona zaburzają ten mechanizm. Analiza 16 struktur molekularnych białka może pomóc w projektowaniu nowej generacji leków, które zamiast bezpośrednio hamować kinazę LRRK2, precyzyjnie regulowałyby jej molekularny „przełącznik”. Wyniki opublikowano 10 sierpnia w czasopiśmie „Cell”.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak białko LRRK2 przechodzi między stanem aktywnym i nieaktywnym oraz dlaczego jego nadmierna aktywność jest związana z chorobą Parkinsona.
- Jakie są wyniki analizy 16 struktur molekularnych LRRK2, które pozwoliły naukowcom odtworzyć mechanizm „włączania” i „wyłączania” tego białka.
- W jaki sposób różne mutacje związane z chorobą Parkinsona mogą prowadzić do nadaktywności LRRK2, mimo że występują w różnych częściach białka.
- Dlaczego odkrycie może pomóc w opracowaniu precyzyjniejszych leków allosterycznych, oddziałujących na molekularny przełącznik LRRK2 zamiast bezpośrednio na kinazę.
LRRK2 jednym z ważnych celów terapii choroby Parkinsona
Mutacje prowadzące do nieprawidłowej aktywności LRRK2 należą do najczęstszych genetycznych przyczyn choroby Parkinsona. Co istotne, zwiększoną aktywność tego białka obserwuje się również u części pacjentów, którzy nie mają takich mutacji. Dlatego LRRK2 stało się jednym z kluczowych celów badań nad terapiami mogącymi wpływać na mechanizmy rozwoju choroby, a nie tylko łagodzić jej objawy.
W związku z trwającymi co najmniej czterema badaniami klinicznymi, LRRK2 jest uważany za jeden z najbardziej obiecujących celów terapeutycznych dla terapii choroby Parkinsona – powiedziała dr Samara Reck-Peterson z Weill Cornell Medicine.
Nowe badanie pozwala dokładniej zrozumieć, co dzieje się z LRRK2 na poziomie molekularnym podczas jego aktywacji i dezaktywacji.
Jak działa molekularna „maszyna” LRRK2?
LRRK2 jest dużym i złożonym białkiem składającym się z siedmiu domen. Poszczególne jego fragmenty umożliwiają m.in. wiązanie z innymi białkami i strukturami komórkowymi. Dwie domeny mają natomiast aktywność enzymatyczną. Jedna z nich wiąże GTP – cząsteczkę uczestniczącą w działaniu wielu biologicznych „przełączników”. Druga jest kinazą, która dołącza grupy fosforanowe do określonych białek, zmieniając ich zachowanie w komórce. Nadmierna aktywność tego mechanizmu jest powiązana z chorobą Parkinsona. Problem polega na tym, że LRRK2 występuje nie tylko w mózgu, lecz również m.in. w płucach, nerkach i układzie odpornościowym.
Wyzwaniem jest znalezienie sposobów na selektywne ograniczenie szkodliwej aktywności LRRK2 w mózgu, przy jednoczesnym zachowaniu jego normalnych funkcji w innych tkankach – powiedział dr Andres Leschziner z Weill Cornell Medicine.
Naukowcy przeanalizowali 16 struktur LRRK2
Badacze wykorzystali mikroskopię elektronową oraz metody biochemiczne, aby uchwycić LRRK2 w różnych stanach molekularnych. Przeanalizowali 16 struktur białka – część związaną z GTP, część z GDP, a także struktury bez żadnej z tych cząsteczek. Dzięki temu możliwe było odtworzenie sekwencji zmian zachodzących podczas „włączania” i „wyłączania” LRRK2.
Analiza pokazała, że szczególnie istotne jest związanie białka z GDP. W takim stanie LRRK2 przyjmuje zwartą konfigurację. Kluczowe domeny blokują wówczas miejsce aktywne kinazy, przez co nie może ona swobodnie oddziaływać z docelowymi białkami. Kiedy GDP zostaje uwolnione, struktura zmienia się. Miejsce aktywne kinazy zostaje odsłonięte, a LRRK2 przechodzi do aktywnej konfiguracji. Stan ten może następnie zostać ustabilizowany przez związanie GTP.
Nasze obserwacje odkrywają zasady kontrolowania aktywności genu LRRK2. A ponieważ nadpobudliwość jest powiązana z chorobą Parkinsona, stanowią one punkt wyjścia dla nowych terapii – powiedziała dr Reck-Peterson.
Mutacje mogą aktywować LRRK2 na różne sposoby
Badanie pomogło również wyjaśnić, dlaczego mutacje znajdujące się w różnych miejscach LRRK2 mogą prowadzić do tego samego efektu – nadmiernej aktywności kinazy. Jedna z częstych mutacji występuje bezpośrednio w jej miejscu aktywnym i zwiększa aktywność enzymatyczną. Inne znajdują się daleko od tego obszaru, a mimo to również sprzyjają aktywacji LRRK2.
W tej dziedzinie dużym pytaniem było: w jaki sposób mutacje, które są tak od siebie oddalone, aktywują kinazę? – powiedziała dr Reck-Peterson.
Eksperymenty pokazały, że mutacje znajdujące się w pobliżu przełącznika GTP/GDP nie muszą powodować szybszego działania samej kinazy. Zamiast tego wydłużają czas, przez który LRRK2 pozostaje w aktywnej konfiguracji. To ważne rozróżnienie, ponieważ sugeruje, że różne mutacje związane z chorobą Parkinsona mogą wymagać odmiennych sposobów farmakologicznej kontroli białka.
Leki dopasowane do mechanizmu mutacji?
Poznanie struktury LRRK2 może otworzyć drogę do projektowania leków działających bardziej precyzyjnie niż klasyczne inhibitory kinaz. Zamiast bezpośrednio blokować miejsce aktywne enzymu, można byłoby wpływać na inne fragmenty białka i stabilizować jego nieaktywną konfigurację.
Takie związki określa się jako leki allosteryczne. Potencjalnie mogłyby one pozwolić na dokładniejszą regulację LRRK2 i ograniczenie działań niepożądanych wynikających z szerokiego hamowania jego fizjologicznych funkcji.
Nasza praca daje chemikom medycznym wzór do projektowania leków, które oddziałują na przełącznik włącz/wyłącz w LRRK2, a nie bezpośrednio na kinazę – powiedział dr Leschziner. Takie leki allosteryczne mogą oferować większą precyzję i mniej skutków ubocznych niż konwencjonalne inhibitory kinaz.
Co więcej, wyniki wskazują na możliwość rozwijania terapii uwzględniających konkretny mechanizm molekularny wywołany daną mutacją. Byłby to kolejny krok w kierunku bardziej spersonalizowanego leczenia choroby Parkinsona.
Główne wnioski
- Naukowcy z Weill Cornell Medicine przeanalizowali 16 struktur LRRK2 i odtworzyli zmiany zachodzące podczas przechodzenia białka między stanem aktywnym i nieaktywnym.
- Badanie wykazało, że związanie GDP sprzyja zwartej, nieaktywnej konfiguracji LRRK2, w której miejsce aktywne kinazy jest zablokowane. Po uwolnieniu GDP białko może przejść w stan aktywny, stabilizowany następnie przez GTP.
- Mutacje związane z chorobą Parkinsona mogą zwiększać aktywność LRRK2 na różne sposoby. Niektóre bezpośrednio wpływają na kinazę, natomiast inne wydłużają czas pozostawania LRRK2 w aktywnej konfiguracji.
- Odkrycie może pomóc w projektowaniu leków allosterycznych regulujących molekularny przełącznik LRRK2. W przyszłości sposób leczenia mógłby być również dostosowywany do mechanizmu konkretnej mutacji.
Źródło:
- linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0092867426008251
- Weill Cornell Medicine
