Los científicos de Scripps Research, Florida, han determinado la estructura a escala casi atómica de un receptor inusual de células cerebrales llamado GPR158, que se ha relacionado con la depresión y la ansiedad.
El estudio estructural revela tanto el receptor como su complejo regulador, avanzando en la comprensión de la biología básica del receptor celular. También permite trabajar en posibles terapias diseñadas para bloquear GPR158 como una estrategia para tratar la depresión, la ansiedad y posiblemente otros trastornos del estado de ánimo.
En el estudio, publicado el 18 de noviembre en la revista Science , los investigadores utilizaron microscopía electrónica ultrafrío de una sola partícula, o crio-EM, para mapear, a una resolución de aproximadamente un tercio de una mil millonésima parte de un metro, la estructura atómica de GPR158, tanto por sí solo como cuando está unido a un grupo de proteínas que median su actividad.
“Hemos estado estudiando este receptor durante más de 10 años y hemos realizado mucha biología sobre él, por lo que es realmente gratificante ver por primera vez cómo está organizado”, dice el autor principal Kirill Martemyanov, PhD , Professor and Chair del Departamento de Neurociencia del Scripps Research.
Se estima que la depresión clínica, también llamada trastorno depresivo mayor, afecta aproximadamente a 20 millones de personas en los Estados Unidos en un año determinado. Los tratamientos actuales funcionan en otros receptores conocidos, incluida la monoamina, pero no siempre funcionan bien para todas las personas y se necesitan opciones alternativas.
Martemyanov y su equipo encontraron en un estudio de 2018 que GPR158 está presente en niveles inusualmente altos en la corteza prefrontal de personas diagnosticadas con trastorno depresivo mayor en el momento de su muerte. También encontraron que exponer a los ratones a estrés crónico aumentaba los niveles de este receptor en la corteza prefrontal del ratón, lo que provocaba un comportamiento similar a la depresión, mientras que la eliminación de la actividad de GPR158 en ratones con estrés crónico los hacía resistentes a la depresión y los efectos del estrés. Además, la actividad del receptor GPR158 también se ha relacionado con el cáncer de próstata.
Históricamente, GPR158 no ha sido fácil de estudiar. Se le llama un “receptor huérfano” porque los científicos aún no han identificado la molécula responsable de “activar” su función de señalización de una manera similar a accionar un interruptor. El receptor también se considera inusual porque, en el cerebro, a diferencia de la mayoría de los receptores de su familia, existe en estrecha asociación con un complejo proteico llamado complejo de señalización RGS. RGS es la abreviatura de “regulador de la señalización de la proteína G” y actúa como un poderoso freno en la señalización celular. Sin embargo, no ha quedado claro por qué GPR158 lo utiliza.
En el nuevo estudio, resolver la estructura del receptor ofreció muchas ideas sobre cómo funciona GPR158. En primer lugar, los científicos descubrieron que se une al complejo RGS de la misma manera que muchos receptores suelen activar sus transductores convencionales, lo que lleva a la idea de que emplea proteínas RGS como medio para transducir su señal. En segundo lugar, la estructura reveló que el receptor existe como dos copias interconectadas de las proteínas GPR158 estabilizadas por fosfolípidos.
“Se trata de moléculas relacionadas con la grasa que engrapan eficazmente las dos mitades del receptor”, explica Martemyanov.
Finalmente, en el otro lado del receptor que mira hacia afuera de la celda, se reveló un módulo inusual llamado dominio de caché. Los autores creen que el dominio de caché sirve como trampa para las moléculas que activan GPR158. Nunca antes se habían observado dominios de caché en este tipo de receptores, lo que demuestra la biología única de este receptor huérfano.
El primer autor Dipak Patil, PhD, científico del personal del laboratorio Martemyanov, dice que resolver la estructura proporciona muchos conocimientos nuevos.
“Estoy encantado de ver la estructura de este GPCR único. Es el primero de su tipo, muestra muchas características nuevas y ofrece un camino para el desarrollo de fármacos ”, dice Patil.
El desafío ahora es utilizar la información obtenida de la estructura para informar el diseño de terapias de moléculas pequeñas para combatir la depresión, agrega Martemyanov.
Ahora está explorando varios enfoques posibles, incluida la interrupción de la disposición de dos partes, interfiriendo con la participación del complejo RGS o dirigiéndose específicamente al dominio de caché con pequeños aglutinantes moleculares similares a fármacos. Independientemente del camino tomado, la disponibilidad de información estructural debería facilitar en gran medida los esfuerzos de desarrollo de fármacos para tratar la depresión, dice Martemyanov.
Este estudio fue posible gracias a los últimos avances tecnológicos en microscopía, incluida la congelación de proteínas a temperaturas ultra frías y el examen de su organización a través de la lente de microscopios potentes, una técnica llamada microscopía electrónica criogénica o Cryo-EM.
“El microscopio usa un haz de electrones en lugar de luz para obtener imágenes de los ensamblajes de proteínas. La longitud de onda más corta de los electrones en comparación con la luz nos permitió visualizar nuestra muestra con una resolución casi atómica ”, dice la profesora de bióloga estructural Tina Izard, PhD.
Patrick Griffin, PhD, Scripps Research, director científico de Florida, fue coautor del estudio, aplicando una tecnología de plataforma proteómica estructural.
“La promesa de Cryo-EM para lograr avances significativos en la resolución de estructuras de biomoléculas es enorme. Nuestro Instituto está firmemente comprometido con la expansión de la microscopía Cryo-EM, que es posible gracias a la reciente adquisición e instalación de un nuevo microscopio en el campus ”.
El estudio fue una colaboración que incluyó a investigadores de la Universidad de Columbia y Appu Singh, PhD, biólogo estructural del Instituto Indio de Tecnología en Kanpur.
Además de los profesores Martemyanov, Griffin, Izard y Singh, y el científico Patil, los autores del estudio, ” Cryo-EM structure of human GPR158 receptor coupled to the RGS7-Gβ5 signaling complex,“, incluyen a Thibaut Laboute, Timothy Strutzenberg y Scott. Novick de Scripps Research, Florida; Shikha Singh y John Hunt de la Universidad de Columbia; y Xingyu Qiu, Di Wu y Carol Robinson de la Universidad de Oxford.