Vědci si posvítili na bílkovinu, která má na svědomí nežádoucí účinky léků

Porozumění procesům v lidském těle na molekulární úrovni je klíčové pro vývoj farmakoterapií. Vědecké skupině dr. Josefa Lazara v Ústavu biologie a lékařské genetiky I. LF UK a VFN se nyní podařilo díky nově vyvinutému molekulárnímu biosenzoru a speciálnímu mikroskopu otevřít cestu k získání více poznatků o fungování patrně nejdůležitější kategorie buněčné komunikace – signalizace prostřednictvím takzvaných G-proteinových receptorů, která je významná pro širokou řadu fyziologických dějů. Jejich zjištění přispějí k vývoji účinnějších a bezpečnějších léčiv a anestetik.

Signalizace prostřednictvím bílkovin zvaných G-proteinové receptory hraje v přírodě významnou roli v přenášení informace o vnějším prostředí do nitra buňky. U savců, včetně člověka, tento druh buněčné signalizace zprostředkovává velkou část smyslového vnímání – detekci pachů, chutí a světla. Hraje však klíčovou roli i v mnoha dalších fyziologických procesech, důležitých pro funkci kardiovaskulárního systému, přenos nervových signálů, funkci mnoha hormonů nebo imunitní reakci. Signalizace prostřednictvím G-proteinových receptorů je tudíž důležitá i v mnoha různých onemocněních – v kardiovaskulárních i neuropsychiatrických chorobách, u alergií, ale též v rakovinném bujení. Objasnění této buněčné „signální dráhy“ přineslo v roce 1994 Nobelovu cenu americkým badatelům Martinu Rodbellovi a Alfredu G. Gilmanovi. Rozluštění molekulární struktury některých důležitých G-proteinových receptorů pak bylo oceněno Nobelovou cenou v roce 2012 mimo jiné pro Briana Kobilku, amerického vědce s českými kořeny. 

V praxi se znalosti signalizace G-proteinovými receptory využívají při vývoji léčiv a anestetik, které na tyto receptory cílí. Molekuly G-proteinových receptorů jsou přítomné v buněčné membráně. Jsou schopny detekovat přítomnost molekul hormonů, neuropřenašečů, pachů a dalších látek na vnější straně buněčné membrány, a tuto informaci jsou schopny přenášet dovnitř buňky, kde ji předávají tzv. G-proteinům. Vědci již delší dobu vědí, že uvnitř buňky se do této buněčné komunikace zapojuje také bílkovina zvaná arrestin. Zatím se ale nepodařilo zcela objasnit, jakým způsobem. „Ze začátku se myslelo, že arrestiny signalizaci G-proteinových receptorů ukončují. 

V poslední době se ale ukazuje, že arrestiny se jí také často přímo účastní a signály samy přenášejí na další bílkoviny uvnitř buňky. Nakolik je informace z G-proteinového receptoru přenesena na G-protein nebo na arrestin může rozhodovat o tom, zda bude mít určitá látka žádoucí léčivé, nebo naopak nežádoucí vedlejší účinky. Například u opioidních analgetik hraje arrestin roli v nebezpečném snížení krevního tlaku, tlumení dýchání a návykovosti,“ vypočítává dr. Josef Lazar, vedoucí výzkumné skupiny, která se zabývá pokročilou optickou mikroskopií a je společným pracovištěm Ústavu biologie a lékařské genetiky 1. LF UK a VFN a Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR. 

Ve farmaceutickém výzkumu jsou proto vynakládány značné prostředky na vývoj léčiv, která by ovlivňovala pouze G-proteiny nebo pouze arrestiny. Tým dr. Lazara nyní přišel s molekulárními biosenzory a technologií, pomocí které lze sledovat, do jaké míry probíhá signalizace prostřednictvím G-proteinů, a do jaké míry prostřednictvím arrestinů. Jejich výsledky mají značný potenciál – výzkumný i komerční.

O biosenzory a mikroskop bude zájem Molekulární biosenzory fungují obecně tak, že umožňují vizualizovat různé molekulární procesy, například pomocí světla. Molekuly biosenzorů reagují na určitou, velmi specifickou chemickou reakci v buňce a informaci o jejím průběhu převedou na světelné záření, které lze pozorovat speciálním mikroskopem. Poměrně často se využívá princip luminiscence, tedy pozorování světelného záření, které některé bílkoviny vydávají v průběhu určité chemické reakce. Tento princip byl nově využit ve výzkumu spolupracujícím zahraničním pracovištěm prof. Aruna Shukly na technologickém institutu v Kanpuru. 

V aktuálním výzkumu však tým dr. Lazara využil techniku mikroskopie molekulárního dichroismu – přístup, jehož je tato skupina průkopníkem, využívající směrových optických vlastností molekul fluorescentních bílkovin, tj. bílkovin, které po ozáření světlem určité barvy samy vyzáří světlo jiné barvy. Postup vysvětluje Josef Lazar: „Nejprve vpravíme do buňky molekuly DNA s přesně definovanou sekvencí. Díky tomu buňka začne produkovat biosenzor – fluorescentní bílkovinu, která se v případě aktivace arrestinové signalizace naváže na molekulu arrestinu. 

Díky vazbě biosenzoru na buněčnou membránu se tak změní i orientace fluorescentní části, a tím i množství fluorescence vyzářené při osvícení světelným zářením oscilujícím různými směry. Díky tomu jsme schopni sledovat aktivitu arrestinu prostřednictvím pozorování fluorescence.“ Tým dr. Lazara v současnosti usiluje o komerční uplatnění jak molekulárních biosenzorů, tak speciálně vyvinutého mikroskopu. Obojí bude mít širší využití. Molekulární biosenzory fungující na výše popsaném principu jsou totiž snadno modifikovatelné, a nemusí tak detekovat pouze procesy spojené s arrestinem nebo G-proteinovou signalizací. 

Podobným způsobem a na stejném principu mohou vědci sledovat celou řadu dalších molekulárních buněčných procesů. Je to možné právě díky mikroskopu, který dr. Lazar se svým týmem vyvinul. „O samotné biosenzory jistě budou mít farmaceutické firmy a výzkumné laboratoře zájem. Hlavní komerční potenciál však vidím v našem speciálním mikroskopu, který je k pozorování biosenzorů na základě jejich směrových fluorescenčních vlastností nezbytný,“ konstatuje Josef Lazar. 

mal