Struktura steroidů zásadně ovlivňuje jejich vliv na aktivitu N-metyl-D-aspartátových receptorů (20.10. 2022)

NOVÁ PUBLIKACE

N-metyl-D-aspartátové (NMDA) receptory jsou proteiny, které se účastní regulace mnoha procesů v mozku savců. Hrají klíčovou roli při přenosu signálu mezi nervovými buňkami a i malé narušení funkce těchto receptorů může mít závažné následky pro zdraví člověka. Snížená funkce NMDA receptorů je spojována s neuropsychiatrickými poruchami jako je mentální retardace, snížený intelekt, schizofrenie, poruchy autistického spektra, epilepsie, nebo poruchy motoriky. Mezi látky, které dokáží napravit sníženou funkci NMDA receptorů patří například steroidy. Mechanismus účinku steroidů, kterým posilují funkci NMDA receptorů, však nebyl dosud popsán.

Ve studii publikované v časopise British Journal of Pharmacology jsme zjišťovali vliv nově syntetizovaných steroidů odvozených od neurosteroidu pregnanolon sulfátu na regulaci funkce NMDA receptorů. Ukázali jsme, že steroidy s krátkými alifatickými řetězci, jako je například pregnanolon karboxylát (PA-Car), inhibují funkci NMDA receptorů, zatímco steroidy s delšími řetězci, jako epipregnanolon butyrát (EPA-But), funkci NMDA receptorů posilují. Pomocí výsledků získaných z elektrofyziologických měření, molekulárně biologických metod a počítačového modelování jsme odhalili vazebné místo v transmembránové doméně NMDA receptoru, kam se váže EPA-But a navrhli jsme mechanismus, kterým EPA-But posiluje funkci NMDA receptorů.

(A) Vlevo: struktury pregnanolon karboxylátu (PA-Car) and epipregnanolon butyrátu (EPA-But). Vpravo: sloupcový graf ukazuje inhibiční působení PA-Car a posilující působení EPA-But na NMDA receptory. (B) Vazebné místo pro EPA-But (zelená molekula) se nachází na transmembránové doméně NMDA receptoru. Aminokyselinové zbytky, které se účastní interakce NMDA receptoru s EPA-But jsou zvýrazněny červeně.

Kysilov B, Hrcka Krausova B, Vyklicky V, Smejkalova T, Korinek M, Horak M, Chodounska H, Kudova E, Cerny J, Vyklicky L: Pregnane-based steroids are novel positive NMDA receptor modulators that may compensate for the effect of loss-of-function disease-associated GRIN mutations. British Journal of Pharmacology, (2022) 179:15, 3970–3990, IF = 9.473,  DOI

Iontový kanál TRPC5 jako cíl pro léčbu neuropatické bolesti (19.10. 2022)

Diabetickou neuropatii a neuropatii vyvolanou chemoterapií doprovází bolestivé stavy, jejichž možnosti léčby jsou, navzdory velkému pokroku v medicíně, nedostatečné. Tyto typy neuropatií se projevují bolestí vyvolanou chladem, kterou je v klinické praxi velmi obtížné zvládnout. Prozatím jediný lék, který úspěšně prošel klinickými studiemi a prokázal účinnost na tento typ bolesti, je duloxetin. Tento lék je účinnější než jiná antidepresiva s podobným mechanismem účinku při zvládání bolestivých neuropatií, ale není známo proč. Zaujalo nás, že u chladově citlivého iontového kanálu TRPC5 bylo v nedávné době prokázáno, že je exprimován v lidských senzorických neuronech a že inhibice jeho aktivity zmírňuje přetrvávající bolest, včetně neuropatické bolesti vyvolené chladem.

V naší studii jsme si položili otázku, zda je kanál TRPC5 modulován duloxetinem a zda může přispívat k jeho analgetickému účinku. Naše elektrofyziologická měření ukázala, že aktivita kanálu TRPC5 je duloxetinem silně tlumena. Díky molekulárnímu dokování a molekulárně dynamickým simulacím jsme nalezli možné vazebné místo duloxetinu. Tato vazebná kapsa na intracelulární straně transmembránové domény TRPC5 byla následně ověřena pomocí bodové mutageneze. Tvar a elektrostatické prostředí vazebné kapsy jsme mírně změnili nahrazením aminokyseliny glutamát 418 alaninem, což vedlo k úplné ztrátě účinku duloxetinu na aktivaci TRPC5 vyvolanou napětím. Naše výsledky naznačují, že TRPC5 představuje dříve nerozpoznaný molekulární cíl pro běžně používaný a vysoce účinný lék proti závažným formám bolesti.

Zimova L, Ptakova A, Mitro M, Krusek J,Vlachova V: Activity dependent inhibition of TRPC1/4/5 channels by duloxetine involves voltage sensor-like domain, Biomedicine & Pharmacotherapy. Roč. 152, August 2022, 113262, IF = 7,419, DOI

Nové druhy lipidů v mateřském mléce (29.7. 2022)

NOVÁ PUBLIKACE

Kojení je nejlepší forma výživy pro novorozené dítě. Mateřské mléko obsahuje ideální koktejl živin a biologicky aktivních látek, které jsou nezbytné pro rychlý růst a vývoj v tomto časném období lidského života. Složení mléka je ovlivněno celou řadou faktorů, jako jsou například stravovací návyky matky, způsob porodu nebo délka těhotenství a důležitou otázkou neonatologické péče je právě optimální složení mléka pro nedonošené děti.

V naší studii jsme sledovali, jaký vliv má předčasný porod a nebo porod císařským řezem na kvalitu prvotního mléka – mleziva. Analýza vzorků od dárkyň mléka z Ústavu pro péči o matku a dítě v Praze Podolí ukázala, že oba typy porodu mají mírně nepříznivý dopad na složení mleziva. V těchto případech neměla mléčná žláza matky dostatek času k zahájení tvorby plnohodnotného mléka, ale s časem tento negativní vliv mizí a zralé mateřské mléko se podobá svým složením mléku matek s přirozeným porodem v termínu.

Ve všech vzorcích mateřského mléka jsme navíc objevili speciální lipidy zvané triacylglycerol estolidy, které slouží jako zásobárna protizánětlivých molekul. Zjistili jsme, že mléčný enzym karboxyl ester lipáza umí tyto složité molekuly štěpit, a uvolňovat tak látky s prospěšným účinkem na zdraví novorozence.

Brejchová K, Palůchová V, Březinová M, Čajka T, Balas L, Durand T, Křížová M, Straňák Z, Kuda O: Triacylglycerols containing branched palmitic acid ester of hydroxystearic acid (PAHSA) are present in the breast milk and hydrolyzed by carboxyl ester lipase, Food Chemistry. 2022; 388(Sep 15)); 132983, IF = 9.231 DOI

Rytmické chování matky podporuje vývoj biologických hodin plodu (27.5. 2022)

Než začnou samy tikat vnitřní biologické hodiny plodu v suprachiasmatických jádrech (SCN) hypotalamu, ovlivňuje funkci a vývoj této struktury rytmické chování matky. To bylo zjištěno v nové studii publikované týmem Aleny Sumové z Fyziologického ústavu Akademie věd ČR 24. května v časopise PLOS Biology. Tento objev významně přispívá k pochopení vývoje vnitřních hodin a může nalézt uplatnění při léčbě předčasně narozených dětí.

SCN jsou centrálními hodinami v našem těle, poháněné rytmickým spínáním a vypínáním hodinových genů. Rytmická aktivita hodinových genů v buňkách SCN řídí aktivitu mnoha dalších genů lokálně i jinde v těle, což v konečném důsledku ovlivňuje širokou škálu cirkadiánních rytmů v chování, včetně příjmu potravy a spánku. Tato autonomní rytmická genová aktivita SCN však začíná relativně pozdě ve vývoji plodu, což vyvolává otázku, zda předtím než se vyvine, mohou genovou aktivitu v SCN ovlivňovat mateřské signály.

Aby autoři tuto otázku prozkoumali, porovnali denní profily genové aktivity v SCN z plodů vyvíjejících se u březích potkanů ​​držených ve tmě za dvou různých podmínek. Kontrolní skupina matek měla intaktní SCN a volný přístup k potravě, zatímco druhá skupina matek měla SCN chirurgicky odstraněné a měla omezený přístup k potravě na osm hodin denně, aby její pohybová aktivita vykazovala cirkadiánní rytmus i v nepřítomnosti centrálních hodin. Pomocí biostatistických analýz vědci zjistili, že v SCN plodů obou skupin existovala malá sada genů, jejichž načasování se mezi těmito dvěma skupinami lišilo, a mnohem větší soubor genů, jejichž aktivita oscilovala ve vzájemné synchronizaci. Mnohé z těchto genů mohly být přiřazeny ke dvěma hlavním neuronálním procesům. První odráží pokračující vývoj SCN a druhý nejranější projev jejich pozdější funkce. Data naznačují, že při vývoji fetálních SCN mohou mateřské stimuly nahradit chybějící mezibuněčnou synaptickou komunikaci a řídit rytmy buněčných populací dříve, než hodiny SCN plně dozrají. Nečekaná rozsáhlost a specifičnost reakce buněk SCN na mateřské signály zdůrazňuje důležitost fungujících biologických hodin matky během těhotenství a poukazuje na potenciální dopad absence takových signálů u předčasně narozených dětí.

Greiner P., Houdek P., Sládek M., Sumová A.: Early rhythmicity in the fetal suprachiasmatic nuclei in response to maternal signals detected by omics approach. PLOS Biology; DOI, IF 8.029 Published: May 24, 2022  

Nové poznatky o struktuře komplexu FOXO4: p53 – klíčového faktoru v regulaci stárnutí buněk (22.4. 2022)

Transkripční faktor p53 brání tomu, aby se vlivem stresu staly z normálních buněk buňky nádorové. Za stresových podmínek p53 interaguje s dalším transkripčním faktorem FOXO4 (Forkhead box O 4) a společně pak zvyšují produkci proteinu p21, což spouští proces stárnutí buňky (senescenci). Molekulární mechanismus zvyšování transkripce p21 je však stále nejasný. V práci  publikované v časopise Protein Science vědecké týmy Dr. Obšilové (FGÚ AV ČR), prof. Obšila (PřF UK a FGÚ AV ČR) a jejich kolegů z ÚOCHB AV ČR charakterizovali vzájemné interakce proteinů p53 a FOXO4 na molekulární úrovni. Nové poznatky o struktuře komplexu naleznou využití při vývoji specifických inhibitorů interakce mezi oběma proteiny, a následně pak při vývoji nových léčiv zaměřených na selektivní eliminaci senescentních buněk.

V této strukturní studii vědci provedli podrobnou charakterizaci interakcí v komplexu FOXO4:p53 pomocí integrovaného přístupu zahrnujícího analytickou ultracentrifugaci, nukleární magnetickou rezonanci a chemické zesítění spojené s hmotnostní spektrometrií. Protože FOXO4 i p53 mají více domén (viz. obrázek), studovali roli jednotlivých domén a neuspořádaných segmentů obou proteinů a zmapovali jejich interakční rozhraní. Zjistili, že zcela zásadní pro celkovou stabilitu komplexu p53:FOXO4 je interakce mezi transaktivační doménou TAD p53 a Forkhead doménou FOXO4. Na tvorbě komplexu se dále podílejí kontakty zahrnující N-koncový neuspořádaný segment FOXO4, C-koncovou negativní regulační doménu p53 a DNA-vazebné domény obou proteinů. Měřením vazby na DNA dále zjistili, že tvorba komplexu p53:FOXO4 blokuje vazbu p53 na DNA, aniž by však ovlivnila DNA-vazebné vlastnosti FOXO4.

Vlevo, analýza interakce mezi FOXO4 a p53 pomocí analytické ultracentrifugace, metodou sedimentační rychlosti. Uprostřed, změny v chemických posunech 15N-značeného FOXO4 v přítomnosti p53 získané z 1H-15N HSQC spekter namapované na krystalovou strukturu komplexu FOXO4 DBD:DNA. Vpravo, měření změn anisotropie fluorescence ukazující, že tvorba komplexu inhibuje vazbu p53 na DNA.

Mandal R, Kohoutova K, Petrvalska O, Horvath M, Srb P, Veverka V, Obsilova V and Obsil T. FOXO4 interacts with p53 TAD and CRD and inhibits its binding to DNA. Protein Sci. roč. 31, č. 5 (2022), č. článku e4287. IF = 6.725. DOI

Metabolomický atlas myši (14.1. 2022)

Orální glukózový toleranční test (OGTT) je nejběžněji používaným nástrojem na diagnostiku cukrovky z kapky krve. Pomocí něj můžeme sledovat schopnost organismu snížit hladinu cirkulující glukózy, která byla podána nalačno. Přestože jsou dynamické změny hladiny glukózy v krvi během OGTT dobře známy, málo se ví o metabolických změnách v cílových orgánech nebo o jejich vzájemné komunikaci. V naší studii jsme zkoumali, co se děje s molekulami cukru v jednotlivých orgánech a jak cukr ovlivňuje metabolické dráhy v těle. Proto jsme na myším modelu provedli OGTT s využitím glukózy značené stabilním izotopem uhlíku (13C), analyzovali jsme distribuci 13C6-glukózy v tkáních a sledovali časové profily metabolitů a lipidů napříč 12 orgány a v plasmě. Zjistili jsme, že se během OGTT využití glukózy zapíná na úrovni jednotlivých orgánů se specifickou kinetikou, ale substráty hladovění, jako je β-hydroxybutyrát, jsou “vypnuty” ve všech orgánech najednou. Časové profily 13C značených mastných kyselin a triacylglycerolů v tkáních naznačují, že se hnědá tuková tkáň může výrazně podílet na hladinách cirkulujících mastných kyselin paradoxně v momentě, kdy jsou hodnoty glukózy v plazmě nejvyšší. Vytvořili jsme virtuální interaktivní atlas metabolitů (cukrů, aminokyselin, lipidů..), který popisuje vzájemné vztahy mezi orgány po požití dávky cukru. Metabolický osud glukózy byl sledován ve 12 tkáních a plasmě.

Navštivte interaktivní webovou aplikaci, kde můžete virtuální myš prozkoumat sami.

Lopes M, Brejchova K, Riecan M, Novakova M, Rossmeisl M, Cajka T, Kuda O. Metabolomics atlas of oral 13C-glucose tolerance test in mice. Cell Rep. 2021 Oct 12;37(2):109833. DOI. PMID: 34644567 IF = 9,423

Účinnost opioidních analgetik je potlačena chemokinem CCL2 (8.12. 2021)

Opioidní analgetika jsou standardně využívána při léčbě závažných bolestivých stavů. Velmi obtížná je ale léčba neuropatických bolestí, které vznikají při poškození nervového systému a opioidní analgetika jsou zde často neúčinná. Je známo, že za těchto neuropatických stavů dochází na úrovni míchy k zánětu a zvýšené produkci určitých signálních molekul (chemokinů), jako je CCL2. Současná práce ukazuje, že chemokin CCL2 je jedním z důležitých faktorů významně snižujících účinnost analgetik působících přes opioidní receptory. Pravděpodobně působí jak přímo na neurony, tak přes aktivaci mikrogliových buněk. Léčba opioidními analgetiky je spojena také s celou řadou závažných nežádoucích účinků. Jedním z nich je i paradoxní zvýšená bolestivost – hyperalgezie, po podání opioidů. Tato práce ukazuje, že zmíněná nežádoucí hyperalgezie může být způsobena aktivací TRPV1 receptorů. Celkově publikované výsledky naznačují, že cestou ke zlepšení účinnosti léčby opioidními analgetiky, zejména při neuropatických stavech, by mohlo být současné ovlivnění funkce chemokinu CCL2 a TRPV1 receptorů.

Vliv CCL2 na utlumení bolestivého (nociceptivního) signálu opioidními agonisty v zadním rohu míšním. Kontrolní modrá křivka ukazuje, jak je synaptický přenos nociceptivního signálu po přidání látky DAMGO výrazně utlumen a zhruba po 13 minutách naopak posílen. DAMGO je agonista µ opiodních receptorů a napodobuje tedy účinek opiodních analgetik. Analgetický účinek DAMGO je však zcela potlačen v přítomnosti chemokinu CCL2 (červená křivka). Fialová křivka ukazuje, že CCL2 působí prostřednictvím mikrogliálních buněk, protože ztrácí svůj účinek, pokud jsou mikroglie blokovány přídavkem minocyklinu.

Chemokine CCL2 preventsopioid‑inducedinhibitionofnociceptivesynaptictransmission in spinalcorddorsalhorn. Mario Heles, Petra Mrozkova, Dominika Sulcova, Pavel Adamek, Diana Spicarova and Jiri Palecek, JournalofNeuroinflammation (2021) 18:279, DOI, IF=8.23

Oddělení výzkumu bolesti, Fyziologický ústav AV ČR, Akademie věd České republiky, Vídeňská 1083, 142 20 Praha 4, Česká republika

Glifloziny – víc než jen antidiabetika (8.12. 2021)

Glifloziny se dnes běžně předepisují jako léčiva proti diabetu (pacienti možná budou znát např. empagliflozin pod obchodním názvem Jardiance). Glifloziny inhibují činnost transportéru pro sodík  a glukózu  v ledvinách, čímž zvyšují vylučování glukózy močí a pomáhají tak udržet hladiny krevního cukru. Vedle úlevy od zvýšené glykémie byla u pacientů pozorována i řada dalších příznivých účinků gliflozinů mj. snížení hmotnosti, krevního tlaku, či funkce ledvin a to nejen u lidí s diabetem ale i bez diabetu. Jak je to možné? Tady nastala ta pravá chvíle udělat krok zpět a charakterizovat účinky těchto léků znovu a důkladně u modelových zvířat. Výzkumný tým dr. Vaněčkové a její kolegové z dvou dalších oddělení z Fyziologického ústavu ve spolupráci s dr. Malínskou z IKEM zkoumali účinky empagliflozinu u různých nediabetických potkaních modelů vyznačujících se sklony k vysokému krevnímu tlaku (Ren-2 transgenní potkani, TGR) nebo k poruchám lipidového metabolismu (hereditárně triglyceridemičtí potkani). Ačkoli se přínos léčby u jednotlivých modelů v detailech lišil, dosažené výsledky ukazují, ze empagliflozin působí protizánětlivě, normalizuje hladiny krevních i tkáňových lipidů a u TGR potkanů navíc tlumí aktivitu sympatického nervového systému, čímž dochází ke snížení krevního tlaku. Tyto poznatky mohou v budoucnu přispět k rozšíření použití gliflozinu i na jiné diagnózy, než je stávající diabetes.

Hojná S, Rauchová H, Malínská H, Marková I, Hüttl M, Papoušek F, Behuliak M, Miklánková D, Vaňourková Z, Neckář J, Kadlecová M, Kujal P, Zicha J, Vaněčková I. Antihypertensive and metabolic effects of empagliflozin in Ren-2 transgenic rats, an experimental non-diabetic model of hypertension. Biomed Pharmacother. 2021 Dec;144:112246. Epub 2021 Oct 1. IF-5,98, DOI

Cílená modulace NMDA receptorů je klíčová pro efektivní léčbu neurologických a neurovývojových onemocnění (14.10. 2021)

N-methyl-D-aspartátové (NMDA) receptory jsou glutamátem aktivované iontové kanály, které se zásadně podílejí na excitačním synaptickém přenosu a jsou klíčové pro procesy učení a paměti. Jejich narušená funkce vede k závažným neurologickým, neurovývojovým a psychiatrickým chorobám jakými jsou například schizofrenie, poruchy autistického spektra, epilepsie či Alzheimerova choroba. Pro efektivní návrh nových léčiv schopných cíleně modulovat NMDA receptory je nezbytné detailně porozumět nejen struktuře receptoru na atomární úrovni, ale rovněž i odhalit konkrétní sekvenci konformačních změn, které se uplatňují při jeho aktivaci a alosterické modulaci.

Za využití metody single-molecule FRET jsme popsali a kvantifikovali sekvenci konformačních změn NMDA receptoru v jeho amino-terminální doméně, které za fyziologických podmínek vedou k aktivaci receptoru. V neposlední řadě jsme pak odhalili rozdílné úlohy receptorových podjednotek při aktivaci receptoru a identifikovali molekulární mechanismus, jakým snížení pH za patofyziologických podmínek (např. při mrtvici) vede ke snížení funkce receptoru.

Vyklický, Vojtěch - Stanley, Ch. - Habrian, Ch. - Isacoff, E. Y. Conformational rearrangement of the NMDA receptor amino-terminal domain during activation and allosteric modulation. Nature Communications. Roč. 12, č. 1 (2021), č. článku 2694. ISSN 2041-1723. E-ISSN 2041-1723, IF: 14.919, rok: 2020, DOI  

Strukturní podstata teplotní aktivace TRP kanálů (12.10. 2021)

TRPV3 je iontový kanál podílející se na detekci teplotních změn, bolesti, svědění, udržování kožní bariéry, hojení ran a růstu vlasů. Poruchy jeho funkce jsou příčinou mnoha závažných lidských kožních chorob, včetně genodermatózy známé jako Olmstedův syndrom, atopické dermatitidy, růžovky i psoriázy. Mezinárodní tým vědců vedených Prof. Alexandrem Sobolevským (Columbia University, New York, NY, USA) ve spolupráci s vědci z Fyziologického ústavu Akademie věd České republiky v Praze zjistil, jak se mění TRPV3 kanál působením tepla, a určil molekulární podstatu jeho aktivace. Studie prokazuje, že otvírání TRPV3 teplotami překračujícími fyziologický práh (vyššími než 40 °C) zahrnuje změny sekundární struktury specifických oblastí proteinového komplexu kanálu, ale také aktivní účast membránových lipidů. Výsledek je důležitým příspěvkem k pochopení obecných molekulárních mechanizmů teplotní aktivace TRP kanálů a nezbytným předpokladem k vyhledávání možných přístupů jejich farmakologické regulace. O významu výzkumu těchto pozoruhodných bílkovinných komplexů svědčí nedávno udělená Nobelova cena za fyziologii a lékařství 2021, kterou získali dva američtí vědci David Julius a Ardem Patapoutian.

Vlevo: vizualizace přechodu mezi zavřeným a otevřeným stavem TRPV3 iontového kanálu při aktivaci teplem získaná kryoelektronovou mikroskopií. Vpravo, vizualizace přechodů mezi strukturami zavřeného, senzitizovaného a otevřeného stavu TRPV3 kanálu při aktivaci teplem. Dynamické oblasti zodpovědné za změny konformačních stavů jsou vyznačeny růžovou barvou, oblasti s nejvýraznějšími strukturními změnami jsou vyznačeny tmavě rudou barvou.

Nadezhdin, K. D. - Neuberger, A. - Trofimov, Yu. A. - Krylov, N. A. - Sinica, Viktor - Kupko, N. - Vlachová, Viktorie - Zakharian, E. - Efremov, R. G. - Sobolevsky, A. I. Structural mechanism of heat-induced opening of a temperature-sensitive TRP channel. Nature Structural & Molecular Biology. Roč. 28, č. 7 (2021), s. 564-572. ISSN 1545-9993. E-ISSN 1545-9985, IF: 15.369, rok: 2020, DOI