Ученые Университета Карнеги-Меллон (Carnegie Mellon University) разработали новый флуоресцентный биосенсор, способный помочь в разработке лекарственных препаратов, ориентированных на важнейший класс белков – рецепторы, сопряженные с G-белком (G protein-coupled receptors  – GPCRs).

Слева группа помеченных FAP клеток флуоресцирует
оранжевым цветом в присутствии красителя-флуорогена.
После обработки клеток веществом, активирующим
GPCRs, рецепторы уходят вглубь клетки, оставаясь
на поверхности в гораздо меньшем количестве,
как показано на фото справа.
(Credit: Image courtesy of Carnegie Mellon University)

«Лекарственные препараты, имеющие своей мишенью GPCRs, составляют сегодня около 30 процентов всего фармацевтического рынка, включая самые часто назначаемые средства», – говорит профессор кафедры биологических наук Карнеги-Меллон Джонатан Ярвик (Jonathan Jarvik), руководивший разработкой биосенсора для GPCR. «Такая востребованность препаратов делает область исследований GPCRs индустрией с оборотом в миллиарды долларов».

GPCRs являются столь популярными мишенями благодаря их ключевой роли в схемах межклеточного биохимического взаимодействия, которые отвечают за управление важными для здоровья функциями, включая функции сердца и легких, настроение, восприятие и память, пищеварение и воспалительные реакции. Находясь в клеточной мембране, GPCRs взаимодействуют с молекулами, ответственными за межклеточную коммуникацию, такими как гормоны и нейромедиаторы. Когда один из рецепторов встречается с такой молекулой, он передает сигнал через мембрану, что, в свою очередь, инициирует соответствующий ответ со стороны клетки. Выполнив свою функцию, рецептор уходит из мембраны вглубь клетки.

Чтобы создать биосенсор для GPCRs, ученые использовали новую технологию – флуоромодули. Разработанные в Центре молекулярных биосенсоров и визуализации (Molecular Biosensor and Imaging Center – MBIC) Университета Карнеги-Меллон флуоромодули представляют собой датчики, позволяющие ученым проводить мониторинг активности отдельных белков в живых клетках в режиме реального времени. Датчики состоят из двух компонентов: флуороген-активирующего белка (fluorogen-activating protein – FAP) и не флуоресцирующего красителя – флуорогена. FAP связывается с изучаемым в данной момент белком, а флуороген взаимодействует с FAP. Когда два компонента встречаются, флуороген начинает флуоресцировать, что можно обнаружить, используя различные методы. Это дает исследователям информацию о локализации и активности белка. FAP-флуоресценцию можно включать и выключать, добавляя или удаляя флуороген – свойство, которое делает флуоромодули более удобными, чем другие флуоресцентные белки.

Ярвик и его коллеги сконструировали флуоромодуль, легко определяющий, когда GPCRs уходят из клеточной мембраны. Исследователи генетически экспрессировали белок FAP, введя его в β2-адренэргический рецептор (β2AR), хорошо изученный GPCR, присутствующий в мозге, сердце, легких и других тканях. Легко проникающий в мембрану флуороген связывается с помеченными FAP GPCRs на поверхности клетки, испуская яркое флуоресцентное свечение. Когда рецептор активирован и отступает вглубь клетки, флуоресценция становилась более тусклой.

Новый биосенсор отличается тем, что направлен непосредственно на рецептор, и обеспечивает то, что называется однородностью. Исследователи получили в руки инструмент, который можно настроить на скрининг большого количества молекул для выявления тех из них, которые проявляют нужные им свойства.

Ученые надеются, что их метод может быть распространен на другие рецепторы и поверхностные белки, и сейчас занимаются изучением возможностей его более широкого применения.

Исследование опубликовано в журнале Journal of Biomolecular Screening.