От оргазма до бессмертия. Записки драг-дизайнера

То, что спиралей именно семь и что они пересекают мембрану, можно было догадаться уже по аминокислотной последовательности этих рецепторов: в ней достаточно отчетливо выделялись семь гидрофобных участков. Но как они упакованы в пространственной структуре ТМ-сегмента, оставалось неясным. Для того чтобы использовать могучие методы рентгеноструктурного анализа, следовало сначала вырастить правильные кристаллы белков, а для этого выделить их молекулы в чистом виде. «Выделить» в представлении биохимиков догеномной эры означало вытащить молекулы рецепторов из мембраны и освободить их от прилипших к ним липидов. Останется ли после этой процедуры их пространственная структура той же, какой она была в липидном окружении, можно было лишь надеяться. Кроме того, кристаллизация требует высокой концентрации белка, а значит, надо переработать немалое количество исходного продукта — тканей из организмов животных.

Вот так и получилось, что первым 7-ТМ-рецептором (употребим и такой термин), трехмерная структура которого была установлена рентгеноструктурной кристаллографией, стал бычий родопсин, белок сетчатки глаза, — этих отходов на любом мясокомбинате сколько угодно. Для других рецепторов подобных источников не нашлось — и белковые химики провели несколько лет в попытках синтезировать их аминокислотные последовательности. Попытки не принесли успеха: гидрофобные участки последовательности плохо растворялись в воде, из-за чего процесс синтеза практически останавливался.

(Справедливости ради можно отметить, что первым семиспиральным белком, конформация которого была экспериментально установлена, был бактериородопсин, белок, выделенный из мембран бактерий. Но он не взаимодействует с G-белками и, соответственно, не может считаться полноценным ТМ-рецептором.)

Новый подход к получению мембранных белков появился с открытием семейства генов, в которых была закодирована последовательность семиспиральных рецепторов. Лаборатория Роберта Лефковица в Северной Каролине давно занималась мембранными рецепторами, в частности бета-2-адренергическим рецептором (β2AR), с которым связывается адреналин. Брайану Кобилке, молодому сотруднику Лефковица, удалось изолировать ген, кодирующий рецептор, и клонировать этот белок с его помощью. Вставив в аминокислотную последовательность рецептора дополнительный белок — лизоцим, — исследователи получили молекулу, достаточно устойчивую для кристаллизации и последующего изучения средствами рентгеноструктурного анализа. В отношении трехмерной структуры β2AR оказался весьма похожим на родопсин — те же семь цилиндров, упакованных в трансмембранный пучок; лишь конформации петель, соединяющих цилиндры, у двух рецепторов были разными.

Напрашивался следующий вывод: возможно, найден общий принцип структурной организации всего громадного семейства рецепторов, сопряженных с G-белками, — а в нем на сегодняшний день насчитывается уже около тысячи белков, и это только в организме человека. Ни одно из других семейств белков, закодированных в геноме, не достигает таких размеров. Рецепторы различаются как функционально, по лигандам, с которыми они связываются, так и по эволюционным подсемействам, к которым принадлежат. Но по структурным особенностям — по строению трансмембранного сегмента — они могут быть близки друг другу.

Это предположение не замедлило подтвердиться экспериментально. Путь, намеченный открытием трехмерной структуры β2AR, оказался плодотворным: на начало 2019 года были установлены пространственные структуры пятидесяти девяти рецепторов — и все они характеризовались семиспиральным трансмембранным пучком. В некоторых кристаллах содержались также лиганды, что позволило более подробно изучить факторы их взаимодействия с рецепторами. В двух-трех лабораториях этот процесс был поставлен на поток — но тем не менее причины, затруднявшие экспериментальное исследование конформационных свойств рецепторов ранее, остались теми же и теперь. Поэтому каждая новая структура давалась за счет кропотливого труда и немалой изобретательности — и публикации о ней, как правило, появлялись в самых престижных научных журналах.

Схематическое изображение комплекса β2AR с G-белком

Но статья в одном из июльских номеров журнала Nature за 2011 год выделялась даже на этом фоне. В ней группа Брайана Кобилки из Стэнфордского университета в Калифорнии сообщала об экспериментально установленной структуре целого агрегата: β2AR в комплексе со своим лигандом и, главное, вместе с соответствующим ему G-белком. Впервые удалось «увидеть» реальную картину того, как рецептор взаимодействует с G-белком с внутренней стороны клеточной мембраны и как G-белок в результате этого взаимодействия может перестроиться с изменением пространственного расположения отдельных его субъединиц. Молекулярный механизм действия лиганда — то есть, с точки зрения драг-дизайна, лекарства — прояснился в значительной степени.