I ricercatori di Weill Cornell Medicine hanno sviluppato nuovi metodi di imaging che consentono ai ricercatori di tracciare le singole molecole proteiche sulla superficie delle cellule. I risultati offrono informazioni senza precedenti su come le cellule percepiscono e rispondono ai loro ambienti.

I recettori accoppiati a proteine ​​G (GPCR) sono proteine ​​che risiedono all'interno della membrana cellulare e trasmettono segnali nella cellula per regolare aspetti fondamentali della fisiologia umana. I segnali ricevuti tramite GPCR includono tutto, dalla luce, che attiva le proteine ​​nelle cellule che consentono la visione, a sostanze chimiche come i neurotrasmettitori che regolano l'umore, ai segnali che scatenano il dolore. Quasi la metà di tutti i farmaci utilizzati clinicamente agisce mirando a GPCR distinti.

"Queste proteine ​​sono fondamentali per ogni aspetto della fisiologia umana, " ha detto il co-autore senior dello studio Scott Blanchard, professore di fisiologia e biofisica alla Weill Cornell Medicine. "Dobbiamo sapere come i GPCR riconoscono tutti questi segnali, come elaborano i segnali e come trasmettono le informazioni nella cellula per invocare un'azione specifica. Solo così saremo in grado di sviluppare nuove generazioni di farmaci che mirano in modo più accurato a queste proteine ​​e quindi possono aiutare senza causare danni collaterali".

In un articolo pubblicato il 7 giugno in Natura , Blanchard e colleghi della Weill Cornell Medicine, Le università di Stanford e Columbia descrivono un importante passo avanti in questa direzione, ottenuto con l'uso di una tecnica di imaging chiamata trasferimento di energia a fluorescenza a molecola singola (smFRET) che ha permesso ai ricercatori di osservare le singole molecole GPCR mentre rispondevano alle molecole di adrenalina, un ormone che controlla le funzioni compreso il battito cardiaco, respirazione e dilatazione dei vasi sanguigni.

"Sapevamo già che la molecola GPCR cambia fisicamente quando si lega all'adrenalina e che questo processo le consente di legare le proteine ​​intracellulari, " Blanchard ha detto. "Quello di cui non sapevamo molto è come questo processo di attivazione avvenga effettivamente. E queste sono le informazioni mancanti critiche che hanno limitato la nostra comprensione dell'efficacia dei farmaci".

Per consentire loro di visualizzare questo processo, Il team di Blanchard ha sviluppato nuove molecole reporter chiamate fluorofori che emettono luce fluorescente e possono essere attaccate al GPCR per informare sui suoi movimenti quando l'adrenalina si lega. Il laboratorio Blanchard ha anche sviluppato un nuovo microscopio in grado di seguire questi messaggi luminosi con maggiore precisione. I ricercatori hanno quindi osservato e registrato i movimenti, utilizzando calcoli complessi per apprendere come la proteina risponde alle sue interazioni con l'adrenalina e con un'altra proteina nella cellula, chiamata proteina G eterotrimerica, che rileva la risposta e fa sapere alla cellula che il GPCR è stato attivato dall'adrenalina.

Il risultato è un'alta risoluzione, film ad alta velocità che rivela i dettagli delle relazioni molecolari che trasmettono il segnale dell'adrenalina attraverso il GPCR nella cellula. Questo ha rivelato al team di ricerca per la prima volta una serie di passaggi reversibili nel processo mediante il quale un GPCR attivato interagisce con la sua proteina G intracellulare che non sono mai stati visti prima. Ciò ha permesso loro di concludere il loro articolo descrivendo il motivo per cui "le indagini quantitative di imaging di singole molecole saranno cruciali nel... delineare percorsi di segnalazione GPCR distinti dipendenti dal ligando".

"Queste sono intuizioni importanti che non sarebbero possibili senza le tecniche di imaging che aumentano la nostra comprensione di come funzionano effettivamente queste macchine molecolari e di come i segnali vengono trasmessi dall'esterno all'interno della cellula, " disse Blanchard, chi è sui relativi brevetti, compreso un brevetto concesso in licenza a Lumidyne per uno dei fluorofori utilizzati nello studio. Blanchard è un co-fondatore con partecipazioni in Lumidyne, una società che si concentra sulle tecnologie di fluorescenza. "Essere in grado di vedere il funzionamento interno dei GPCR ha enormi implicazioni per la scoperta di farmaci per tutto, dalla gestione del dolore alle malattie cardiache e al cancro. Le implicazioni cliniche di questa tecnologia possono arrivare molto lontano".