Die Erfassung der Transporterstruktur ebnet den Weg für die Arzneimittelentwicklung

Wissenschaftler des St. Jude Children’s Research Hospital und des University of Texas Southwestern Medical Center untersuchten die Struktur und Funktion eines Transporters, der an Krebs und Immunität beteiligt ist. Sie erfassten sechs Strukturen des Transporters, auch wenn er an einen Inhibitor gebunden war, und lieferten beispiellose Einblicke in seine Funktionsweise. Die in Cell veröffentlichten Ergebnisse haben Auswirkungen auf die Arzneimittelentwicklung.

Transporter transportieren Stoffe durch die Zellmembran, damit sie ihre Funktionen erfüllen können. Sphingosin-1-phosphat (S1P) ist ein wichtiges Signalmolekül, das das Immunsystem, die Blutgefäßbildung, die Hörfunktion und die Integrität von Epithel- und Endothelmembranen reguliert. Es unterstützt das Fortschreiten und Überleben von Krebszellen durch Chemoresistenz und Metastasierung.

Das S1P-Molekül wird innerhalb der Zelle synthetisiert, muss jedoch die Zellmembran passieren, um seine Signalaufgaben zu erfüllen. Spinster-Homolog 2 (Spns2) ist ein S1P-Transporter; Dieses Protein sitzt auf der Membran und öffnet sich zum Zellinneren, bindet an S1P und öffnet sich dann zur Zellaußenseite, um S1P freizusetzen.

Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Veränderung der Spns2-Aktivität therapeutische Wirkungen gegen Krebs, Entzündungen und Immunerkrankungen haben kann. Der Transportmechanismus von Spns2 und die Art und Weise seiner Hemmung waren jedoch unklar.

„Wir hoffen, dass unsere Strukturinformationen in Zukunft den Weg für die Entwicklung verbesserter, spezifischerer kleiner Moleküle mit höherer Wirksamkeit gegen Spns2 ebnen werden“, sagte Mitautor Chia-Hsueh Lee, Ph.D., St. Jude Department of Strukturbiologie. „Ich denke, es gibt ein großes Potenzial für die therapeutische Hemmung des Spns2-Transporters.“

Kryo-EM-Strukturen erklären, wie der Transporter funktioniert

Die Forscher erhielten mittels Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) sechs Strukturen von Spns2, darunter zwei funktionell relevante Zwischenkonformationen (Formen), die die nach innen (innerhalb einer Zelle) und nach außen (außerhalb der Zelle) gerichteten Zustände verbinden. Die Ergebnisse offenbaren die strukturellen Grundlagen des S1P-Transportzyklus.

„Ich denke, diese Ergebnisse sind recht zufriedenstellend, da es selten vorkommt, die wichtigsten Konformationen eines bestimmten Transporters zu erfassen“, fügte Lee hinzu. „Durch den Vergleich dieser verschiedenen Strukturen erhalten wir ein sehr detailliertes Bild davon, wie dieser Transporter das S1P-Signalmolekül einfängt.“

„Wir haben Kryo-EM verwendet, um die Struktur dieses Transporters zu erfassen und herauszufinden, wie er S1P zur Außenseite der Zellen transportiert“, sagte Co-Erstautor Shahbaz Ahmed, Ph.D., St. Jude Department of Structural Biology. „Wir haben auch einen Inhibitor untersucht und die Strukturdaten dafür bereitgestellt, wie er den Transporter bindet und seine Aktivität blockiert.“

Die Forscher untersuchten, wie Spns2 an den Inhibitor 16d bindet, ein spezifisches kleines Molekül, das nur sehr wenige Off-Target-Effekte gezeigt hat. Die Forscher fanden heraus, dass 16d die Transportaktivität stoppt, indem es Spns2 im nach innen gerichteten Zustand blockiert. Die Arbeit unterstützt die Entwicklung fortschrittlicher Spns2-Inhibitoren.

„Dieser Inhibitor blockiert tatsächlich das Protein in einer nach innen gerichteten Konformation. Wenn das Protein blockiert ist, kann es nicht von innen nach außen übergehen und das Signalmolekül nicht von innen nach außen in die Zelle schleudern“, sagte Lee. „Darüber hinaus blockiert der Inhibitor physikalisch die Bindung des Signalmoleküls, da beide an denselben Hohlraum binden.“

Zelloberflächenmoleküle sind ein attraktives Ziel für die Arzneimittelentwicklung. G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind eine Art Zelloberflächenprotein, das das Ziel eines Drittels aller von der Food and Drug Administration zugelassenen Therapeutika ist. Als Zelloberflächenmoleküle könnten Transporter ein ähnliches Potenzial für die Arzneimittelentwicklung haben. Daher hat das Verständnis ihrer Struktur und Funktion das Potenzial, erhebliche Fortschritte bei der Verbesserung der Krankheitsbehandlung zu erzielen.

„Unsere Arbeit enthüllt die atomaren Details des Spns2-vermittelten S1P-Transportzyklus, der wichtig ist, um zu verstehen, wie dieses signalisierende Sphingolipid in unserem Immunsystem zirkuliert“, sagte der Mitautor Xiaochun Li, Ph.D., Abteilungen für Molekulare Genetik und Biophysik, University of Texas Southwestern Medical Center. „Die Strukturen helfen auch bei der Entwicklung wirksamer Spns2-Inhibitoren, die zur Behandlung von Krebs und Autoimmunerkrankungen beitragen können.“

Hongwen Chen, Shahbaz Ahmed, Hongtu Zhao, Nadia Elghobashi-Meinhardt, Yaxin Dai, Jae Hun Kim, Jeffrey G. McDonald, Xiaochun Li, Chia-Hsueh Lee.
Strukturelle und funktionelle Einblicke in den Spns2-vermittelten Transport von Sphingosin-1-phosphat.
Zelle, 2023. doi: 10.1016/j.cell.2023.04.028