Cryo-EM Structure of a Triazole alpha-Conotoxin GI Mimetic Bound to the Muscle-Type Nicotinic Acetylcholine Receptor

Het menselijk lichaam is afhankelijk van een constante, snelle conversatie tussen zenuwcellen en spieren om beweging mogelijk te maken. Deze conversatie vindt plaats bij minuscule verbindingen waar chemische boodschappers, vrijgekomen door zenuwen, binden aan specifieke receptoren op het spieroppervlak. Een van de belangrijkste van deze receptoren is de nicotineacetylcholinereceptor van het spiertype, een moleculaire poort die opent om signalen door te laten, waardoor de spier het signaal krijgt om samen te trekken. Wanneer dit systeem correct werkt, kunnen we lopen, ademen en objecten grijpen. Wanneer het hapert of wordt geblokkeerd door toxines, faalt de beweging. Wetenschappers bestuderen al lang natuurlijke verbindingen die met extreme precisie aan deze receptoren kunnen binden, in de hoop hun vorm en functie goed genoeg te begrijpen om nieuwe medicijnen te creëren. Onder de meest krachtige van deze natuurlijke verbindingen zijn kleine peptiden die worden gevonden in het gif van de kegelslak, die fungeren als zeer gespecialiseerde sleutels, ontworpen om in de sloten van deze receptoren te passen. Deze natuurlijke sleutels zijn echter fragiel; hun structuur is afhankelijk van chemische bruggen die gemakkelijk kunnen breken, wat ze moeilijk maakt om op te slaan, te synthetiseren of als stabiele medicijnen te gebruiken.

Onderzoekers zetten zich in om dit probleem van fragiliteit op te lossen door een van deze natuurlijke sleutels, bekend als alfa-conotoxine GI, te herontwerpen, wat een selectieve blokker is van de receptor van het spiertype. De natuurlijke versie van dit peptide houdt zijn vorm vast met behulp van een specifieke brug gevormd tussen twee zwavelhoudende aminozuren. Om een stabielere versie te maken, verving het team deze zwavelbrug door een andere chemische structuur genaamd een triazool, een ring van atomen die de vorm en afstand van de oorspronkelijke brug nabootst, maar veel moeilijker te breken is. Ze bouwden deze nieuwe moleculen volledig met de hand, waarbij ze chemische reacties gebruikten om de stukjes aan elkaar te naaien op een vaste drager, waardoor ze twee hoofdtypen vervangingen creëerden: één met een specifieke rangschikking van atomen genoemd 1,4-disubstitutie en een andere genaamd 1,5-disubstitutie. Het doel was om te zien of deze kunstmatige vervangingen het peptide in de juiste vorm konden houden en nog steeds met dezelfde sterkte aan de receptor zouden binden als het natuurlijke gif.

Toen het team deze nieuwe moleculen testte tegen menselijke spierreceptoren, toonden de resultaten aan dat de rangschikking van de atomen diepgaand uitmaakte. De versie met de 1,5-rangschikking presteerde opmerkelijk goed en bond met een potentie in het lage nanomolaire bereik, wat vergelijkbaar is met de sterkte van het oorspronkelijke, natuurlijke peptide. In tegenmoststelling hiermee presteerde de andere rangschikking niet zo effectief. Dit bevestigde dat de specifie gebometrie van de 1,5-triazoolring de sleutel was tot het behoud van de juiste vorm. Om precies te begrijpen hoe dit werkte, gebruikten de onderzoekers een krachtige beeldvormingstechniek genaamd cryo-elektronenmicroscopie om een directe, hoogresolutiefoto te maken van het leidende molecuul dat in de receptor zit. Dit bood het eerste duidelijke beeld van een peptide dat een brug zonder zwavel gebruikt en gebonden is aan een membraanreceptor.

De beelden onthulden dat het kunstmatige molecuul bijna exact zo in de receptor past als het natuurlijke exemplaar. De triazoolring hield het peptide succesvol in zijn natuurlijke vouwing, waardoor de algehele vorm behouden bleef die nodig is om het medicijn te laten werken. De structuur toonde echter ook iets onverwachts: de triazoolring reikte zelf uit en maakte nieuwe contacten met de receptor die de oorspronkelijke zwavelbrug niet kon maken. Deze extra interacties suggereren dat het kunstmatige molecuul op sommige manieren zelfs nog steviger kan binden. Om dit verder te verifiëren, voerde het team computersimulaties uit die de bewegingen van de moleculen in de loop van de tijd modelleerden. Deze simulaties toonden aan dat de watermoleculen rond het peptide en de receptor zich op een zeer vergelijkbare manier gedroegen, en dat het molecuul op dezelfde patronen wiebelde en verschoof. De studie concludeert dat triazolen effectieve vervangers kunnen zijn voor zwavelbruggen, wat een manier biedt om deze krachtige peptiden te stabiliseren zonder hun vermogen om met hun doelwitten te interageren te verliezen, wat een solide structurele basis biedt voor het ontwerpen van toekomstige, stabielere therapeutica.