Teplo nebo chlad? Nové poznatky o fungování iontových kanálů citlivých na změny teploty získané ve spolupráci s Univerzitou v Lundu (24.1. 2023)
NOVÁ PUBLIKACE
Teplotně citlivé iontové kanály TRP jsou buněčnými molekulárními senzory zapojenými v přenosu smyslových signálů, vnímání bolesti (nocicepci) a udržování iontové homeostázy. Poruchy jejich funkce jsou příčinou mnoha závažných lidských onemocnění, jako jsou chronická bolest, zánět, rakovina a různá kardiovaskulární, neurologická, respirační, ledvinová a metabolická onemocnění. Očekávání vkládaná do vývoje nových léčiv zaměřených na tyto kanály zatím zůstávají nenaplněná vzhledem k jejich schopnosti být aktivován podněty různých modalit (polymodalitě), jejíž mechanismus stále není zcela objasněn. Mezinárodní tým vědců vedených Prof. Peterem M. Zygmundem (Lund University, Malmö, Sweden) ve spolupráci s vědci z Fyziologického ústavu Akademie věd ČR v Praze objasnil dva důležité mechanismy přispívající k polymodální regulaci TRP kanálů. První studie odhalila vazebné místo a molekulární podstatu vazby D9‑tetrahydrocannabiorcolu (přírodního rostlinného kanabinoidu bez psychotropních účinků), který napomáhá aktivaci TRPV2, čímž ovlivňuje přenos bolestivých podnětů. Druhá studie identifikovala dvě samostatné specifické oblasti, které propůjčují jinému receptoru TRPA1 citlivost na teplo (> 35 °C) a chlad (< 15 °C), a prokázala, že teplotní citlivost tohoto receptoru rozhodujícím způsobem závisí na oxidačním a redukčním prostředí. Dosažené výsledky významně přispívají k pochopení obecných molekulárních mechanismů chemické a teplotní aktivace kanálů rodiny TRP a naleznou využití při hledání možných přístupů k jejich regulaci pomocí léčiv.
Vlevo: účinek chladu (15°C) na aktivaci lidského TRPA1 iontového kanálu přirozeného typu a mutantu, ve kterém je zaměněn hlavní aminokyselinový zbytek C856 zodpovědný za regulaci oxidačními a redukčními látkami. Kanály byly aktivovány sérií napěťových pulzů (od ‑160 mV do +200 mV).Vpravo: vizualizace struktury TRPA1 kanálu získaná kryoelektronovou mikroskopií (PDB: 6v9w) při pohledu ze strany a shora. Dynamické oblasti kanálu zodpovědné za aktivaci chladem jsou vyznačeny světle modrou barvou. Pozice cysteinu C856 je zobrazena na detailu struktury jedné podjednotky dole.
Moparthi, L. - Sinica, Viktor - Moparthi, V. K. - Kreir, M. - Vignane, T. - Filipovic, M. R. - Vlachová, Viktorie - Zygmunt, P. M.The human TRPA1 intrinsic cold and heat sensitivity involves separate channel structures beyond the N-ARD domain. Nature Communications. Roč. 13, č. 1 (2022), IF: 17.694 DOI
Zhang, L. - Simonsen, Ch. - Zímová, Lucie - Wang, K. - Moparthi, L. - Gaudet, R. - Ekoff, M. - Nilsson, G. - Hellmich, U. A. - Vlachová, Viktorie - Gourdon, P. - Zygmunt, P. M. Cannabinoid non-cannabidiol site modulation of TRPV2 structure and function. Nature Communications. Roč. 13, č. 1 (2022), IF: 17.694, rok: 2021 DOI
Odhalení nových regulačních mechanismů v lidském antiporteru Na+/H+ NHA2 (14.11. 2022)
Sodno/protonové antiportery jsou membránové proteiny, které se nacházejí ve všech živých buňkách od bakterií až po člověka a hrají důležitou úlohu v regulaci pH a koncentrací kationtů uvnitř buněk. Mezi tyto typy transportérů patří i antiporter NHA2, jehož aktivita ovlivňuje řadu fyziologických funkcí, např. sekreci inzulínu, zpětné vstřebávání sodíku v ledvinách nebo pohyblivost spermií. Antiporter NHA2 transportuje přes membránu kationty Na+ nebo Li+ výměnou za H+ a jeho aktivita je specificky inhibována phloretinem. Vlastnosti a funkce všech proteinů přímo vyplývají z jejich složení, tedy ze sekvence aminokyselin, které protein tvoří. V rodině antiporterů Na+/H+ má NHA2 jedinečnou strukturu. Skládá se z 537 aminokyselin uspořádaných do 14ti transmembránových domén a unikátního hydrofilního N-konce dlouhého 82 aminokyselin, jehož struktura a funkce nebyly dosud studovány. V časopise Protein Science jsme publikovali objev nových prvků ve struktuře NHA2 důležitých pro jeho funkci, včetně odhalení významné regulační úlohy N-konce proteinu.
Lidský protein NHA2 a jeho mutantní varianty jsme studovali pomocí jeho exprese v buňkách modelového eukaryotního organismu, kvasince Saccharomyces cerevisiae, a také pomocí bioinformatických simulací (ve spolupráci s laboratoří Prof. Nira Ben-Tala z Univerzity v Tel-Avivu). Identifikovali jsme několik nových aminokyselinových zbytků důležitých pro selektivitu antiporteru (rozpoznání a transport kationtů Na+ a Li+) a pro transport protonů. Dále jsme určili místo ve struktuře proteinu, kam se váže inhibitor phloretin. Odhalili jsme také, že unikátní hydrofilní N-koncová část proteinu má důležitou (autoinhibiční) úlohu v regulaci transportní aktivity NHA2, protože zkrácení N-konce o prvních 50-70 aminokyselin vedlo až k dvojnásobnému zvýšení transportní aktivity proteinu. Dosažené výsledky také ukazují, že expresní systém NHA2 v buňkách kvasinek je možné v budoucnu využít např. pro rychlé zjištění, jak mutace vyskytující se v NHA2 v lidském genomu ovlivňují aktivitu antiporteru a/nebo pro testování nových látek ovlivňujících funkci NHA2 podobně jako phloretin.
Velazquez D., Prusa V., Masrati G., Yariv E., Sychrova H., Ben-Tal N. and Zimmermannova O. (2022): Allosteric links between the hydrophilic N-terminus and transmembrane core of human Na+/H+ antiporter NHA2. Protein Sci: e4460. IF = 6.993 DOI
Thiazolidindiony (TZD) jsou látky používané při léčbě diabetu, které zvyšují citlivost k inzulínu. První generace TZD však vykazuje řadu nežádoucích účinků, včetně např. zvýšené tvorby velkých tukových buněk (adipocytů) v kostní dřeni spojené s vyšším rizikem zlomenin a úbytku kostní hmoty. Předpokládá se, že tyto vedlejší účinky jsou do jisté míry způsobeny silnou vazbou TZD na jaderný receptor PPARγ. V nové studii publikované v časopise Molecular Metabolism jsme zkoumali, jak metabolismus v kostech ovlivní podávání látky MSDC-0602K, nového analoga TZD s nižší afinitou k receptorům PPARγ.
Zjistili jsme, že podávání MSDC-0602K obézním myším po dobu 8 týdnů vedlo ve srovnání s původními TZD k výrazně lepší kostní struktuře a vyšší pevnosti kostí spolu se zvýšeným podílem menších adipocytů v kostní dřeni. Zkoumali jsme také působení látky MSDC-0602K na molekulární úrovni pomocí pokusů s primárními tkáňovými kulturami. Mezenchymální kmenové buňky kostní dřeně z myší ošetřených MSDC-0602K diferencovaly ve zvýšené míře do podoby osteoblastů (kostních buněk), nepodléhaly tolik stárnutí a vykazovaly zvýšený buněčný metabolismus glutaminu, který je důležitý pro tvorbu kostí (osteogenezi).
Ze studie vyplývá, že nový analog TZD by mohl ve srovnání s původními TZD zvyšovat citlivost k inzulínu s nižšími nežádoucími účinky na kvalitu kostí a metabolismus mezenchymálních kmenových buněk. Látka MSDC-0602K by tak mohla nahradit starší léčiva při léčbě metabolických a kostních onemocnění.
Benova, A., M. Ferencakova, K. Bardova, J. Funda, J. Prochazka, F. Spoutil, T. Cajka, M. Dzubanova, T. Balcaen, G. Kerckhofs, W. Willekens, G. H. van Lenthe, G. Alquicer, A. Pecinova, T. Mracek, O. Horakova, M. Rossmeisl, J. Kopecky and M. Tencerova (2022). "Novel thiazolidinedione analog reduces a negative impact on bone and mesenchymal stem cell properties in obese mice compared to classical thiazolidinediones." Mol Metab 65: 101598. IF = 8.568 DOI
Struktura steroidů zásadně ovlivňuje jejich vliv na aktivitu N-metyl-D-aspartátových receptorů (20.10. 2022)
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
Načíst další
