Struktura krystaliczna białka mukowiscydozy – święty Graal genetyki molekularnej

Opracowanie leku na mukowiscydozę jest skomplikowanym zadaniem – w odpowiedzialnym za nią genie występuje ponad 2 000 mutacji. Pewien unijny projekt miał na celu określenie struktury krystalicznej tego dynamicznego białka w wysokiej rozdzielczości promieniowania rentgenowskiego, aby usprawnić tworzenie leku.

Zdrowie

Mukowiscydoza występuje, gdy wadliwe białko odpowiedzialne za syntezę błonowego kanału chlorkowego CFTR („cystic fibrosis transmembrane conductance regulator”) powoduje nagromadzenie śluzu w układzie oddechowym i pokarmowym pacjenta. Objawy obejmują infekcje płuc i niedrożność jelit spowodowaną blokadą śluzu. Obecne leki są drogie – Kalydeco firmy Vertex Pharmaceuticals kosztuje pacjenta aż 300 000 USD rocznie. Biorąc pod uwagę pogorszenie jakości życia i przedwczesną śmiertelność pacjentów z mukowiscydozą, pilnie potrzebne są nowe terapie. Alternatywne terapie skorzystałyby z dokładnych informacji strukturalnych o CFTR „Ostatecznym celem projektu CF_struct było opracowanie substancji, które poprawią skuteczność leków, podniosą jakość życia i zmniejszą koszty leczenia”, tłumaczy dr Susan Fetics, stypendystka naukowa programu „Maria Skłodowska-Curie”. Lek działa najlepiej, gdy efektywnie wiąże się z białkiem docelowym. Musi przyczepić się do chorego białka CFTR, aby przywrócić jego strukturę i funkcję. Kluczową rolę odgrywa tu bramkowanie. CFTR ma bramkowany por, który musi się otworzyć, aby umożliwić przepuszczanie naładowanych jonów chlorkowych. Gdy CFTR jest zmienione przez mutacje genetyczne, dysfunkcyjne kanały chlorkowe powodują gromadzenie się śluzu w organizmie i przewlekłe objawy mukowiscydozy. CFTR utrudnia tworzenie kryształów „Kiedy powstawał program CF_struct, nie istniały struktury o wysokiej rozdzielczości dla CFTR, skupiliśmy się więc na metodzie krystalografii rentgenowskiej”, wyjaśnia prof. Martin Caffrey, koordynator projektu. Pomimo olbrzymiego wysiłku włożonego w wytworzenie białka i przeprowadzenie badań przesiewowych dziesiątek tysięcy różnych warunków krystalizacji, CFTR pozostawał odporny na powstawanie kryształów. „Niestety, nie byliśmy w stanie wygenerować wysokiej jakości kryształów CFTR w izolacji ani w obecności Kalydeco podczas realizacji projektu »Maria Skłodowska-Curie«”, wspomina prof. Caffrey. W trakcie CF_struct uzyskano natomiast inne wyniki strukturalne CFTR. Najpierw struktura uzyskana przy pomocy kriogenicznej mikroskopii elektronowej (CryoEM) CFTR danio pręgowanego pozwoliła na przyjrzenie się sposobowi aktywacji. Następnie zbadano szczegółowo dwie kolejne struktury CryoEM. „Wspólnie te trzy modele dały nam wgląd w mechanizm cyklu bramkowania kanałów CFTR”, mówi dr Fetics. „Kontynuowaliśmy poszukiwanie struktur krystalicznych, które uzupełniłyby i rozszerzyły prace dotyczące CryoEM”, mówi. „Krystalicznie” czyste ambicje Dr Fetics opowiada dalej: „Z powodzeniem wyprodukowaliśmy CFTR kurcząt zgodnie z protokołem opracowanym w laboratorium prof. Riordana na Uniwersytecie Północnej Karoliny w Stanach Zjednoczonych”. To, w połączeniu z oczyszczaniem ludzkiego CFTR, które przeprowadził prof. Kappes z Uniwersytetu w Alabamie, umożliwiło zespołowi przeprowadzenie niezwykle szerokich prób krystalizacji. Oczyszczone białko CFTR jest niestabilne i trudne do skoncentrowania. „Dlatego też zastosowaliśmy metodę »cubicon«, aby stopniowo zwiększać stężenie białka potrzebnego do prób krystalizacji”, wyjaśnia prof. Caffrey. Jednocześnie zmniejszono ilość białka wykorzystywanego w każdej wnęce krystalizacyjnej w celu jak najlepszego wykorzystania dostępnego materiału. Przyszłość leczenia mukowiscydozy Podjęte przy wsparciu programu „Maria Skłodowska-Curie” badania w Trinity College stanowią przykład znanego wyzwania naukowego, w którym zaradność i wytrwałość są kluczem do przezwyciężenia wyzwania, jakim są biomolekuły, które nie zachowują się zgodnie z oczekiwaniami. Obecnie zespół CF_struct nie planuje dążyć do stworzenia struktury krystalicznej, ale ich prace są wykorzystywane przez naukowców badających tę wyniszczającą chorobę. Prof. Caffrey i dr Fetics podsumowują znaczenie badań na Trinity College: „Na całym świecie na mukowiscydozę choruje nawet 100 000 ludzi. Struktura krystaliczna mogłaby przynieść korzyści światowej gospodarce dzięki zmniejszeniu kosztów związanych z mukowiscydozą, wydłużenie średniej długości życia, poprawę jakości życia i zmniejszenie obciążenia spoczywającego na opiekunach”.