Receptory GPCR

Oddziaływanie leków
z celami molekularnymi
cz. IV – leki działające na
receptory GPCR
Prof. dr hab. Sławomir Filipek
Wydział Chemii oraz Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych
Uniwersytet Warszawski
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.
Kontrola w procesach, m.in. :
- przekaźnictwo neuronalne
- naczyniowo-sercowe
- system immunologiczny
- procesy nowotworowe
Ok. 30-50% leków jest skierowanych na
receptory GPCR
1
Modele błony komórkowej
Singer–Nicholson „model mozaikowy”
Obecny model
Science (1972)
DM Engelman, Nature (2005)
Model molekularny pęcherzyka endoplazmatycznego
widok z zewnątrz
widok rozciętego
pęcherzyka
Obrazy z mikroskopu
elektronowego
S.Takimori at al. Cell 2006
2
Dwie znane klasy białek błonowych
Receptory GPCR
Rodzina A: Rhodopsin-like
(znane
struktury krystaliczne )
Dopaminowe, histaminowe, serotoninowe, r.chemokin,
r.interleukin, opioidowe, canabinoidowe, melatoninowe,
r. zapachowe
Rodzina B: Secretin-like (znana
struktura kryst. r. glukagonu (2013))
Receptory hormonów: glukagonu, sekretyny, hormonu
przytarczycy i in.
Rodzina C: glutaminianowe / feromonowe
GABA-B (wiążące kwas -aminomasłowy), receptory
smakowe
3
Nadrodzina receptorów GPCR
ok. 800 typów receptorów
Nowy podział na rodziny
•
Receptory glutaminianu
•
Glutamate
•
Podobne do rodopsyny
•
Rhodopsin like
•
Adhezyjne
•
Adhesion
•
Frizzled / smakowe
•
Frizzled / taste
•
Receptory sekretyny
•
Secretin
GRAFS – nazwa tego podziału
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 )
4
GPCRs – Rhodopsin like – peptide
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Angiotensin
Bombesin
Bradykinin
C5a anaphylatoxin
APJ like
Fmet-leu-phe
Interleukin-8
Chemokine
CCK
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Endothelin
Melanocortin
Neuropeptide Y
Neurotensin
Opioid
Somatostatin
Tachykinin
Vasopressin-like
Galanin like
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Proteinase-activated like
Orexin & neuropeptide FF
Urotensin II
Adrenomedullin (G10D)
GPR37 / endothelin B-like
Chemokine receptor-like
Neuromedin U like
Somatostatin- and angiogeninlike peptide
Allatostatin C / drostatin C
Dalszy podział na podtypy:
() MOR, () DOR, () KOR
Drzewo filogenetyczne
receptorów
GPCR
http://gpcr.scripps.edu/
5
Leki działające na receptory GPCR
(receptory związane z białkiem G)
Receptory GPCR - działanie
Budowa receptora
GPCR (7TM)
Helisy receptora GPCR są
prostopadłe do powierzchni
błony lipidowej
Związanie liganda powoduje
zmianę kształtu receptora
6
Receptory GPCR
– wzmocnienie sygnału
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.
Rodopsyna i proces widzenia
Enzym fosfodiesteraza (PDE): zmniejsza
stężenie przekaźników II-rodzaju (kanały
jonowe zamykają się)
7
Struktura rodopsyny
Grupy sacharydowe
TM4
TM5
Retinal
Łańcuchy
palmitynowe
TM3
TM2
TM6
TM1
TM7
H8
Izomeryzacja cis-trans retinalu
Proces krystalizacji rodopsyny
Metoda parowania wiszącej kropli
Całkowita ciemność
Stała temperatura 4°C
roztwór białka
Roztwór
krystalizacyjny
H2O
8
Wyznaczanie struktury białka z kryształu
Kryształy rodopsyny
Obraz dyfrakcyjny
Zbieranie obić promieni X
od kryształów
Wyznaczanie map
gęstości
elektronowej
Rozwiązana struktura białka
tutaj: dimer rodopsyny
Dopasowanie modelu białka do
map gęstości elektronowej
Krystaliczne dimery rodopsyny
H8
TM1 TM1
1HZX (2000 r.)
TM5 TM5
monomery
antyrównoległe
1GZM (2003 r.)
9
Oligomer rodopsyny z AFM
Obrazy z mikroskopu sił atomowych (AFM)
D. Fotiadis et al., Nature 2003
Model natywnego oligomeru rodopsyny
Protein Data Bank, id=1N3M (2003)
10
Model oligomeru rodopsyny z lipidami
PEDS
PSDS
Widok po usunięciu części cytoplazmatycznej białka
Rola dimeryzacji w cyklu życiowym receptorów
GPCR
S.Terrillon at al. EMBO Rep. 2004
11
Gt 
Gt 
Gt 
Rh*
Kompleks
dimeru
rodopsyny
z białkiem G
(transducyną)
Rh
Kompleks Gt – dimer rodopsyny
Widok od strony wnętrza komórki
Widok boczny
12
Kompleks Gt – Rh4
Gt
Gt
Gt
Rh2
Rh2
Widok boczny
Widok od strony wnętrza komórki
Struktury krystaliczne receptorów GPCR
Rodopsyna
2000 r.
Receptor  2AR
2007 r.
Receptor A2AR
2008 r.
 YASARA gpcr.sce
13
Nagroda Nobla z Chemii 2012
Robert J. Lefkowitz
Brian K. Kobilka
Howard Hughes Medical Institute, Duke
University Medical Center, Durham, NC, USA
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.
Sygnalizacja receptorów GPCR
Protease activated receptor
Kobilka lab, Nature 2012
14
Obecne techniki krystalizacyjne dla GPCR
•
Mikrokrystalografia
•
Stabilizacja termiczna przez mutacje
•
Stabilizujące białka: lizozym,
apocytochrom, przeciwciało
Neurotensin receptor
2-adrenergic receptor
Białka stabilizujące strukturę GPCR
Structure 2012
15
Własności ligandów receptorów
Agonista
Antagonista
Inwersyjny
agonista
Salmeterol (Serevent™)
rok odkrycia – 1980, rok wprowadzenia – 1990 (GSK)
Agonista receptora β2AR, lek przeciwastmatyczny
Struktura molekularna
Długodziałający lek rozszerzający oskrzela,
Efekty uboczne: zaburzenia rytmu serca
Lek krótko- ale szybko-działający.
Stosowane są też kombinacje tych leków.
 2AR, 1AR,
16
Loratadine (Claritin™)
rok odkrycia – 1981, rok wprowadzenia – 1993 (Schering-Plough)
Przeciwalergiczny (II generacja), lek pochodny: Cetrizine (Zyrtec)
1 - alergeny
2 - immunoglobuliny E (IgE) – istotne
w obronie przeciw patogenom,
3 – receptor wiążący IgE
4,7 – wydzielanie histaminy,
prostaglandyn i leukotrienów
(czynników prozapalnych)
Struktura molekularna
loratadyny
Wytwarzanie histaminy
w organiźmie
Pierwszy lek
antyhistaminowy
Izomery cetryzyny
 H1R - doxepin
(efekt uboczny: senność)
Blokują receptor histaminowy H1, (blokery receptora H2 zmniejszają wydzielanie kwasu w żołądku)
Przewodnictwo neuronalne
W mózgu jest ok. 1011 neuronów
i 1015 synaps (połączeń między
neuronami)
Każdy neuron tworzy ok 25 tys. połączeń
Model działania synapsy
17
Rodzaje neurotransmiterów
Acetylocholina
Muskaryna
Rec. muskarynowe
(acetylocholinowe
mAChR)
Najpowszechniejszy
neurotransmiter
(brak w ch. Alzheimera)
(brak w ch.
Parkinsona)
Zasady purynowe (ATP, GTP)
Monoaminy
Aminokwasy
Peptydy
(+endorfiny, enkefaliny, itp.)
Około 50 różnych reurotransmiterów
Wpływ związania
liganda na zmiany
struktury
receptorów
GPCR
Niezerowa aktywność
podstawowa
Bokoch et al. (B. Kobilka lab) Nature 2010
B. Kobilka, Cell 2013
18
Lokalizacja głównych
mikroprzełączników
w receptorach GPCR
X
Nygaard et al. TiPS 2009
Ligandy receptorów opioidowych
Fentanyl (lata ’50 XX w.) – lek syntetyczny
-
przeciwbólowy, nienarkotyczny
100x silniejszy od morfiny
Agonista MOR
Silniejsze i krócej działające
analogi fentanylu
Morfina
wyizolowana w 1805 r. z wyciągu
z opium - własności narkotyczne
i przeciwbólowe, zaburzenia oddychania.
agonista MOR
antagonista MOR
agonista KOR
antagonista MOR
Jedyne dwie substancje z wyciągu z
opium nie powodujące uzależnienia
1.000x – w chirurgii
 morph_fentanyl.sce
10.000x - do usypiania
dużych zwierząt
19
Miejsce wiązania liganda w receptorach opioidowych
Naltrekson (antagonista) - OR
Butorfanol (agonista) - OR
Przejście z pozycji antagonisty do agonisty
TM3
TM3
Y3.33
D3.32
Y7.43
D3.32
Y7.43
H6.52
W6.48
H6.52
TM6
TM7
Dwie pozycje naltreksonu
TM6
TM7
Morfina – oba przełączniki ON
antagonisty (zielony) i agonisty (pom.)
20
Schemat aktywacji receptorów opioidowych
Schemat pierwszego
etapu aktywacji receptora
Morfina - OR
Efekty
allosteryczne
jonów sodowych
Yuan et al. Angew. Chem. 2013
21
Podobieństwo agonistów i antagonistów
receptorów GPCR
Struktura krystaliczna receptora opioidowego
kappa
Centralny mikroprzełącznik w receptorach
kanabinoidowych
Agonista (THC) zadokowany do miejsca
wiążącego w receptorze CB1
Zmiana rotamerów w aminokwasach mikroprzełącznika
Latek et al. JMM 2011
22
Ortosteryczne i allosteryczne
miejsca wiązania ligandów
Lokalizacja cholesterolu w
kompleksach receptorów 2AR
http://gpcr.scripps.edu/
Równoczesne wiązanie dwu
ligandów w receptorze sfingozyny
S1P2R (model)
Satsu et al. BMC 2013
Strategie działania leków na synapsy
1. Dostarczanie
neuroprzekaźnika
2. Aktywacja lub blokowanie
receptora
3. Blokowanie wychwytu
neuroprzekaźnika
(transportera lub enzymu)
23
Ad. 1. Levodopa (Larodopa™)
Dostarczanie neuroprzekaźnika
Stosowana przy niedoborze dopaminy
w chorobie Parkinsona.
Przekracza barierę krew-mózg jako
aminokwas (podobieństwo do Tyr)
Lek wspomagający:
Wytwarzanie
w organiźmie
Inhibitor dekarboksylazy
L-aminokwasowej
Sama dopamina nie przekracza bariery krewmózg (BBB – blood-brain barier)
(ale nie w mózgu bo carbidopa nie
przekracza BBB dzięki czemu dużo
więcej Levodopy przechodzi do mózgu
i tworzy dopaminę)
Ad. 2. Leki przeciwlękowe
Agoniści receptorów serotoninowych
(5-HT – 5 hydroksytryptofan (prekursor serotoniny))
Benzodiazepiny
wcześniejsze leki (ryzyko uzależnienia)
działają na receptor GABAA
GABAA – receptor - kanał chlorkowy
GABAB – receptor GPCR
Buspiron
agonista receptora serotoninowego 5-HT1A
+ antagonista receptora dopaminowego D2
+ zmniejsza stężenie acetylocholiny
(powiązany z kanałami K+ i Ca2+ poprzez białko G)
24
Ad. 3. Leki przeciwdepresyjne
Inhibitory wychwytu zwrotnego neuroprzekaźników:
serotoniny, norepinefryny i dopaminy
Działanie
antyschizofreniczne
Działanie
przeciwdepresyjne
(ale dużo efektów ubocznych)
TCA – tricyclic antidepressant
Lek drugiej generacji
inhibituje wychwyt tylko norepinefryny
(z powodu blokowania także kanałów jon. zastąpiony przez SSRI)
SSRI – selective serotonin reuptake inhibitor
(inhibitor wychwytu zwrotnego serotoniny)
25