Araştırmacılar Uyku için Gerekli Olan İki Melatonin Reseptörünün İlk Haritasını Oluşturuyor

Fotoğraf: Uykuyu teşvik eden melatonin hormonu (Gecede takım yıldızı olarak gösterilir.)

Uluslararası bir araştırmacı ekip, ne zaman uyuyup uyuyacaklarını ve diğer biyolojik süreçleri yönlendireceklerini belirten iki melatonin reseptörünün ilk ayrıntılı haritalarını oluşturmak için Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory’de bulunan X – ışını lazeri kullandı.

Nasıl çalıştıklarını anlamak araştırmacıların uyku bozuklukları, kanser ve Tip 2 diyabetle mücadelede daha iyi ilaçlar üretmesini sağlayabilir. Bulgular bugün Nature dergisinde iki makalede yayımlandı.

Güney Kaliforniya Üniversitesi liderliğindeki ekip, alıcıları aktive eden ve dört farklı bileşiğe bağlanan, MT1 ve MT2 reseptörlerini haritalamak için SLAC’s Linac Coherent Light Source’nin (LCLS) X-ışınlarını kullandı: bir uykusuzluk ilacı, melatonin ile antidepresanın karıştırlmasıyla elde edilen başka bir ilaç ve iki melatonin analoğu.

Her iki melatonin reseptörünün vücudumuzdaki hücrelerin yağ zarlarına gömülü dar kanallar içerdiğini keşfettiler. Bu kanallar sadece hem suda hem de yağda bulunabilen melatoninin geçmesine izin verirken benzer bir yapıya sahip olan fakat sulu ortamlardaki serotonini bloke eder. Ayrıca, iki reseptör arasındaki benzerliklere rağmen bazı büyük bileşiklerin nasıl sadece MT2 yerine MT1’i hedefleyebileceğini ortaya çıkardılar. Bu, şu ana kadar MT1’i seçici olarak hedef alan ilaçların tasarımını bilgilendirmelidir.

USC’de MT2 üzerine yapısal çalışmalar yürüten doktora sonrası bir araştırmacı olan Linda Johansson “Bu alıcılar insan vücudunda son derece önemli olan işlevleri yerine getiriyor ve ilaç endüstrisinin büyük bir ilgi odağıdır” dedi. “Bu çalışma sayesinde melatoninin bu alıcılara nasıl bağlanabildiğine dair oldukça ayrıntılı bir anlayış elde ettik.”

Yatma Vakti

SLAC’da bir bilim insanı ve yazar olan Alex Batyuk “Beynin, gün boyunca biriktirdiğimiz anıları dinlenip işlemesi ve saklaması çok önemlidir” dedi. “Melatonin uyku-uyanıklık döngülerimizi düzenleyen bir hormondur. Işık olduğunda melatonin üretimi engellenir, ancak karanlık geldiğinde beynimize uykuya gidileceğine dair bir sinyal gönderilir”.

Melatonin reseptörleri, insan vücudundaki neredeyse tüm fizyolojik ve duyusal süreçleri düzenleyen G-proteini bağlı reseptörler (GPCR’ler) adı verilen bir membran reseptör grubuna aittir. MT1 VE MT2 beyin, retina, kardiyovasküler sistem, karaciğer, böbrek, dalak ve bağırsak dahil olmak üzere vücudun birçok yerinde bulunur.

Bu reseptörler saat genlerimizi, vücudun iç saatinin zaman belirleyicilerini veya sirkadiyen ritmini belirler. Kusursuz bir dünyada iç saatlerimiz güneşin doğmasıyla ve batmasıyla senkronize olur. Ancak insanlar zaman dilimleri arasında seyahat ederken, gece vardiyasında çalışırken veya ekranların ve diğer mavi ışık kaynaklarının önünde çok fazla vakit harcarken bu zaman bekçileri sekteye uğruyor.

Fotoğraf: MT2 yapısının taslağı. (Kaynak: Nature (2019).  DOI: 10.1038/s41586-019-1144-01

Ritim Kontrolü

Sirkadiyen ritimlerimiz bozulduğunda bu durum  psikiyatrik, metabolik, onkolojik ve birçok başka probleme yol açabilir. Özellikle MT1 bu ritimlerin kontrol edilmesinde önemli bir rol oynar fakat bu reseptörü hedefleyebilecek ilaçların tasarlanmasının zor olduğu kanıtlanmıştır. Birçok insan uyku sorunları ile mücadele etmek veya sirkadiyen ritimlerini değiştirmek için reçetesiz satılan melatonin takviyesi alır ancak bu ilaçların etkileri genellikle saatler içinde tükenir.

Araştırmacılar, bu reseptörlerin planlarını bozarak ve ligandların bu reseptörlere nasıl bağlanıp aktive ettiklerini haritalandırarak başkalarının daha güvenli, daha etkili ve her bir reseptörü seçici olarak hedefleyebilen ilaçları tasarlamasının yolunu açtı.

SUNY Buffalo Üniversitesi’nde farmakoloji ve toksinoloji profesörü ve  80’li yıllarında başlarında fonksiyonel melatonin reseptörünün keşfinin öncüsü Margarita L. Dubocovich “60 yıl önce melatoninin keşfedilmesinden bu yana bu anı ortaya çıkaran çok sayıda önemli keşifler oldu” dedi. “Dikkat çekici ilerlemeye rağmen seçici MT1 ilaçlarının keşfi ekibim ve dünyadaki çoğu araştırmacı için belirsiz kaldı. MT1 VE MT2 alıcıları için kristal yapıların aydınlatılması, uyku veya sirkadiyen tedavisi için ilaçların geliştirilmesi için heyecan verici bir bölüm açıyor.”

Kristal Hasatı

Proteinler gibi biyomolekülleri haritalamak için araştırmacılar genellikle X-ışını kristalografisi adı verilen bir yöntemi kullanır. X-ışınları bu proteinlerin kristalize versiyonlarından saçar ve üç boyutlu bir yapı elde etmek için yarattığı kalıplar kullanılır. Şimdiye kadar MT1, MT2 ve benzeri reseptörlerin haritalanmasındaki zorluk  yüksek çözünürlüklü yapılar elde etmek için kristallerin yeterince büyütülememesiydi.

“Bu melatonin reseptörleri ile gerçekten çok fazla yol almamız gerekti” diyor MT1’deki yapısal çalışmayı yöneten Benjamin Stauch. “Pek çok insan onları kristalize etmeye çalıştı fakat başarısız oldu, bu yüzden biraz yaratıcı olmalıydık.”

Bu araştırmanın önemli bir parçası,  kristalleri büyütmek ve onlardan X-ışını kırınım verilerini toplamak için araştırmacıların  kullandıkları benzersiz yöntemdi. Ekip araştırma için, bu reseptörleri böcek hücrelerinde tanımladı ve deterjan kullanarak özü çıkardı. Kristalizasyon sağlayarak bu reseptörleri stabilize etmek için mutasyona uğrattılar. Reseptörleri saflaştırdıktan sonra onları doğrudan membran ortamından alıp kristal büyümesini destekleyen membran benzeri bir jele yerleştirdiler. Bu jelde süspansiyon halinde tutulan mikro kristalleri elde ettikten sonra LCLS’den X-ışınları ile dar bir kristal akışı oluşturmak için özel bir enjektör kullandılar.

Her iki çalışmayı da denetleyen USC profesörü Vadim Cherezov, “Küçük kristal boyutundan dolayı bu çalışma yalnızca LCLS’de yapılabilir” dedi. “Bu küçük kristaller, radyasyon hasarından muzdarip olduklarından senkrotron kaynaklarında iyi bir şekilde dağılmazlar. X ışını lazerleri’ tahribattan önce kırılma’ prensibi ile radyasyon hasarı probleminin üstesinden gelebilir.”

Araştırmacılar, bu reseptörlerin üç boyutlu yapısını bulmak için dağınık X-ışınlarının yüz binlerce görüntüsünü topladılar. Ayrıca, onlarca mutasyonun etkilerini alıcıların nasıl çalıştığı konusundaki anlayışlarını derinleştirmek için test ettiler.

Reseptörlerdeki küçük melatonin kanallarının keşfinin dışında araştırmacılar Tip 2 diyabetle ilişkili mutasyonları MT2 reseptörü üzerinde haritalandırabildiler ve  ilk kez bu mutasyonların reseptörlerdeki yerini tam olarak saptayabildiler.

Zemin Hazırlamak

Bu deneylerde araştırmacılar sadece reseptörleri aktive eden  agonistler olarak bilinen bileşiklere baktılar. Takip edebilmek için alıcıları bloke eden antagonistlere bağlı reseptörleri haritalandırmayı ve diğer GPCR alıcılarını araştırmak için tekniklerini kullanmayı umuyorlar.

Cherezov, “Yapısal bir biyolog olarak bu reseptörlerin yapısını ilk kez görmek ve bu reseptörlerin sinyal moleküllerini seçici olarak nasıl tanıdıklarını anlamak heyecan vericiydi” dedi. “Onlar yıllardır  biliniyor ama şimdiye kadar hiç kimse gerçekte nasıl göründüklerini söyleyememişti. Şimdi onları daha iyi ve daha etkili ilaçların  temelini attığını umduğumuz belirli molekülleri nasıl tanıdıklarını anlamak için analizlere devam edebiliriz.”

Kaynak: phys.org