With a sophisticated X-ray analysis

With a sophisticated X-ray analysis, a US-German team of scientists has solved the molecular structure of an important regulator for blood pressure in the human body. The study, appearing in this week's edition of the journal Cell, gives new insights into the function of this regulator and could aid the development of new medication with less side-effects, as the team led by Prof. Vadim Cherezov from the University of Southern California explains. High blood pressure is the most common cardiovascular condition in industrialised countries.


Download [465KB, 1362 x 1719]
The activation of the angiotensin receptor leads to a narrowing of blood vessels, the blood pressure rises (right). The AT1R blockade relaxes the blood vessels, lower blood pressure (left). Credit: Katya Kadyshevskaya, Bridge Institute, USC
The researchers, including scientists from DESY, used the world's most powerful X-ray laser LCLS at the SLAC National Accelerator Center in California to investigate the angiotensin receptor AT1R. When this receptor is activated by the hormone angiotensin, its response is a vasoconstriction leading to an increase in blood pressure. “Blocking angiotensin receptors by drugs, known as angiotensin receptor blockers or ARBs, is one of the common strategies for reducing high blood pressure,” says Cherezov.
But how these drugs work on the molecular level was not exactly understood until now, as DESY scientist and co-author Cornelius Gati from the Center for Free-Electron Laser Science CFEL points out. “Despite its medical relevance, the structure of this receptor was unknown up to now.“ CFEL is a cooperation of DESY, the Max Planck Society and the University of Hamburg.

To solve molecular structures with X-rays, the molecules have to be grown into crystals first. From the way that these crystals diffract the X-rays, the spatial structure of the molecules can be calculated. But many proteins can hardly be grown into crystals as this state contradicts their natural function. “The crystals of AT1R that we obtained were needle-like and too small for structure determination by traditional crystallography,” says Cherezov.

Only the intense flashes of the X-ray laser produced sufficiently strong diffraction patterns to elucidate the structure of the molecules in the tiny crystals. The researchers used AT1R crystals where an antagonist called ZD7155 did already bind to the receptor. ZD7155 is a chemical precursor to one of the most common ARB.

This way the scientists could investigate the detailed structure of a blocked receptor. The results reveal the molecular layout of the receptor with a resolution of 0.29 nanometres (millionths of a millimetre). That is in the order of atoms. “The data show the exact structure of the binding pocket and the interaction with blood pressure drugs binding there”, explains Gati who processed the X-ray data. “This provides new insights into the mode of action and facilitates the development of new drugs.”

The angiotensin receptor belongs to the medically important class of G protein coupled receptors (GPCR). GPCR are embedded in the cell membrane and trigger an activity within the cell upon recognition and binding of a variety of different signaling molecules. These kind of trans membrane receptors are of great interest to the pharmaceutical industry as they allow to interfere with the organism's function without actually bringing a drug into the cell.

As many other GPCRs, the angiotensin receptor signals through G protein and arrestin-mediated pathways. “Blocking G protein pathway is beneficial, while blocking arresting pathway is detrimental, leading to many side-effects,” explains Cherezov. “All current ARBs on the market block both pathways.”

The scientists hope that the exact knowledge of the molecular receptor structure can help to design tailor-made blood pressure drugs with lower side-effects. “Our work represents a first step in this direction,” says Cherezov. “Next we plan to decipher structures of this receptor in complex with full and arrestin-biased agonists, as well as determine the structure of the closely related angiotensin receptor type 2 or AT2R.”

Kết quả (Việt) 1:

Với một phân tích X-ray tinh vi, một nhóm US-tiếng Đức của các nhà khoa học đã giải quyết cấu trúc phân tử của một điều quan trọng cho huyết áp trong cơ thể con người. Nghiên cứu, xuất hiện trong tuần này của Ấn bản của tạp chí di động, cung cấp cho những hiểu biết mới vào các chức năng của điều này và có thể hỗ trợ sự phát triển của các loại thuốc mới với ít tác dụng phụ, như đội ngũ lãnh đạo bởi giáo sư Vadim Cherezov từ Đại học Nam California giải thích. Huyết áp cao là phổ biến nhất tình trạng tim mạch quốc gia công nghiệp hóa.Tải về [465KB, 1362 x 1719]Kích hoạt của các thụ thể angiotensin dẫn đến một thu hẹp của các mạch máu, huyết áp tăng (bên phải). Phong tỏa AT1R thư giãn mạch máu, hạ huyết áp (bên trái). Tín dụng: Katya Kadyshevskaya, cầu viện, USCCác nhà nghiên cứu, bao gồm cả các nhà khoa học từ DESY, sử dụng trên thế giới mạnh nhất X-ray laser LCLS SLAC National Accelerator Trung tâm California để điều tra các thụ thể angiotensin AT1R. Khi thụ thể này được kích hoạt bởi angiotensin nội tiết tố, phản ứng của nó là một vasoconstriction dẫn đến tăng huyết áp. "Chặn angiotensin thụ thể bởi thuốc, được gọi là angiotensin thụ thể chặn hoặc ARBs, là một trong những chiến lược phổ biến cho việc giảm huyết áp cao," ông Cherezov.Nhưng làm thế nào các loại thuốc làm việc ở cấp độ phân tử không chính xác hiểu cho đến khi bây giờ, như là nhà khoa học DESY và đồng tác giả Cornelius Gati từ Trung tâm điện tử miễn phí Laser khoa học CFEL chỉ ra. "Mặc dù mức độ liên quan y tế của nó, cấu trúc của các thụ thể này được biết đến nay." CFEL là một hợp tác của DESY, hội Max Planck và đại học Hamburg.Để giải quyết các cấu trúc phân tử với x-quang, các phân tử đã được phát triển thành tinh thể đầu tiên. Từ cách thức các tinh thể diffract các tia x, cấu trúc không gian của các phân tử có thể được tính. Nhưng nhiều protein có thể hầu như không được phát triển thành tinh thể, như nhà nước này mâu thuẫn với chức năng tự nhiên của họ. "Các tinh thể của AT1R mà chúng tôi thu được là hình kim và quá nhỏ để xác định cấu trúc của tinh thể học truyền thống," ông Cherezov.Chỉ nhấp nháy dữ dội của laser tia x sản xuất mô hình nhiễu xạ đủ mạnh để làm sáng tỏ cấu trúc của các phân tử trong tinh thể nhỏ. Các nhà nghiên cứu sử dụng tinh thể AT1R nơi một nhân vật đối kháng được gọi là ZD7155 đã đã liên kết với các thụ thể. ZD7155 là một tiền chất hóa học để một trong ARB phổ biến nhất.Bằng cách này, các nhà khoa học có thể điều tra cấu trúc chi tiết của một thụ thể bị chặn. Các kết quả cho thấy bố cục phân tử của các thụ thể với độ phân giải 0,29 Nano (millionths của một mm). Đó là theo thứ tự nguyên tử. "Các dữ liệu Hiển thị cấu trúc chính xác của túi ràng buộc và tương tác với huyết áp thuốc ràng buộc có", giải thích Gati người xử lý dữ liệu x-quang. "Điều này cung cấp những hiểu biết mới vào chế độ của hành động và tạo điều kiện cho sự phát triển của loại thuốc mới."Các thụ thể angiotensin thuộc lớp G protein kết hợp thụ thể (họ), về mặt y tế quan trọng. HỌ được nhúng trong màng tế bào và kích hoạt một hoạt động trong tế bào dựa trên sự công nhận và các ràng buộc của một loạt các phân tử tín hiệu khác nhau. Loại xuyên màng tế bào thụ thể quan tâm lớn cho ngành công nghiệp dược phẩm như họ cho phép ảnh hưởng đến chức năng của cơ thể mà không thực sự mang lại một loại thuốc vào trong tế bào.Như nhiều khác GPCRs, các thụ thể angiotensin tín hiệu thông qua G protein và arrestin trung gian con đường. "Con đường protein G chặn là mang lại lợi ích, trong khi chặn bắt con đường là bất lợi, dẫn đến tác dụng phụ nhiều," giải thích Cherezov. "Tất cả ARBs hiện tại trên thị trường ngăn chặn cả hai con đường."Các nhà khoa học Hy vọng rằng những kiến thức chính xác của cấu trúc phân tử thụ có thể giúp để thiết kế thích hợp thực hiện huyết áp thuốc tác dụng phụ thấp hơn. "Công việc của chúng tôi đại diện cho một bước đầu tiên theo hướng này," ông Cherezov. "Tiếp theo chúng tôi định để giải mã các cấu trúc này thụ thể trong khu phức hợp với đầy đủ và thiên vị arrestin variandole, cũng như xác định cấu trúc liên quan chặt chẽ angiotensin thụ thể loại 2 hoặc AT2R."

Kết quả (Việt) 2:

Với một phân tích X-ray tinh vi, một nhóm nghiên cứu Mỹ-Đức của các nhà khoa học đã giải quyết được các cấu trúc phân tử của một điều quan trọng đối với huyết áp trong cơ thể con người. Nghiên cứu, xuất hiện trong ấn bản tuần này của tạp chí Cell, cho hiểu biết mới về chức năng của điều này và có thể hỗ trợ sự phát triển của các loại thuốc mới với ít tác dụng phụ, như nhóm nghiên cứu do Giáo sư Vadim Cherezov từ Đại học Nam California giải thích. Cao huyết áp là bệnh tim mạch thường gặp nhất ở các nước công nghiệp hóa. Download [465KB, 1362 x 1719] Sự kích hoạt các thụ thể angiotensin dẫn đến sự thu hẹp các mạch máu, tăng huyết áp (bên phải). Việc phong toả AT1R thư giãn các mạch máu, huyết áp thấp (bên trái). Credit: Katya Kadyshevskaya, Viện Bridge, USC Các nhà nghiên cứu, bao gồm các nhà khoa học từ DESY, sử dụng tia laser mạnh nhất LCLS X-ray của thế giới tại Trung tâm gia tốc quốc gia SLAC ở California để điều tra các thụ thể angiotensin AT1R. Khi thụ thể này được kích hoạt bởi các hormon angiotensin, phản ứng của nó là một hiện tượng co mạch dẫn đến tăng huyết áp. "Chặn thụ thể angiotensin bằng thuốc, được gọi là thuốc chẹn thụ thể angiotensin hoặc ARBs, là một trong những chiến lược chung cho việc làm giảm huyết áp cao," nói Cherezov. Nhưng làm thế nào những thuốc này làm việc ở cấp độ phân tử không hoàn toàn hiểu cho đến bây giờ, là nhà khoa học DESY và đồng tác giả Cornelius gati từ Trung tâm cho miễn phí-Electron Laser Khoa học CFEL chỉ ra. "Mặc dù sự liên quan y tế của nó, cấu trúc của thụ thể này đã được biết đến nay." CFEL là sự hợp tác của DESY, Max Planck Society và Đại học Hamburg. Để giải quyết các cấu trúc phân tử với X-quang, các phân tử có thể trồng thành các tinh thể đầu tiên. Từ cách mà những tinh thể này làm nhiễu xạ X-quang, các cấu trúc không gian của phân tử có thể được tính toán. Nhưng nhiều protein khó có thể được phát triển thành các tinh thể như nhà nước này mâu thuẫn với chức năng tự nhiên của họ. "Các tinh thể của AT1R mà chúng tôi thu được là hình kim và quá nhỏ để xác định cấu trúc của tinh thể học truyền thống," Cherezov nói. Chỉ nhấp nháy mạnh của laser X-ray sản xuất mô hình nhiễu xạ đủ mạnh để làm sáng tỏ cấu trúc của các phân tử trong tinh thể nhỏ. Các nhà nghiên cứu sử dụng các tinh thể AT1R nơi một nhân vật phản diện được gọi là ZD7155 đã đã liên kết với các thụ thể. ZD7155 là một tiền chất hóa học để một trong những ARB phổ biến nhất. Bằng cách này, các nhà khoa học có thể điều tra cấu trúc chi tiết của một thụ thể bị chặn. Kết quả cho thấy cách bố trí phân tử của các thụ thể với độ phân giải 0,29 nanomet (phần triệu milimet). Đó là theo thứ tự của các nguyên tử. "Các dữ liệu cho thấy các cấu trúc chính xác của túi ràng buộc và sự tương tác với các thuốc huyết áp có ràng buộc", giải thích gati người xử lý các dữ liệu X-ray. "Điều này cung cấp hiểu biết mới về phương thức hành động và tạo điều kiện cho sự phát triển các loại thuốc mới." Các thụ thể angiotensin thuộc về các lớp học quan trọng về mặt y khoa của các thụ thể protein kết G (GPCR). GPCR được nhúng vào trong màng tế bào và kích hoạt một hoạt động bên trong tế bào khi được công nhận và ràng buộc của một loạt các phân tử tín hiệu khác nhau. Những loại thụ thể màng xuyên là mối quan tâm lớn cho ngành công nghiệp dược phẩm khi họ cho phép can thiệp vào chức năng của sinh vật mà không thực sự mang lại một loại thuốc vào trong tế bào. Như nhiều GPCRs khác, các tín hiệu thụ thể angiotensin thông qua protein G và con đường arrestin qua trung gian. "Chặn đường protein G là có lợi, trong khi ngăn chặn bắt giữ con đường là bất lợi, dẫn đến nhiều tác dụng phụ," giải thích Cherezov. "Tất cả ARBs hiện nay trên thị trường chặn cả hai đường." Các nhà khoa học hy vọng rằng những kiến thức chính xác về cấu trúc phân tử thụ thể có thể giúp thiết kế các loại thuốc huyết áp thích hợp thực hiện với thấp hơn tác dụng phụ. "Công việc của chúng tôi đại diện cho một bước đầu tiên theo hướng này," Cherezov nói. "Tiếp theo chúng ta có kế hoạch để giải mã cấu trúc của thụ thể này trong phức hợp với đầy đủ các chất chủ vận và arrestin-thiên vị, cũng như xác định cấu trúc của các thụ thể angiotensin loại hình liên quan chặt chẽ 2 hoặc AT2R."