Farmaceutiske låsesmede på arbejde
Design af lægemiddelstoffer kan sammenlignes med at fremstille nøgler til låse. Gruppen for Biostrukturel Forskning på DFU arbejder med at opklare, hvordan låsen ser ud, og hvordan nøgler passer i nøglehullet.
Af Peter Naur, Bente Vestergaard, Lars K. Skov, Jan Egebjerg, Michael Gajhede og Jette Sandholm Kastrup.
Fra Lægemiddelforskning 2005
Næsten alle lægemiddelstoffer er rettet mod proteiner, som er kæmpemæssige molekyler med et væld af forskellige funktioner. Proteiner kan være enzymer, der katalyserer biokemiske reaktioner, receptorer, som reagerer på hormoner og signalstoffer, eller transportere, der fragter molekyler gennem biologiske membraner.
At proteiner er et naturligt mål for lægemidler skyldes netop, at de er involveret i hovedparten af de biologiske processer, som holder livet i gang. Så når noget går galt - ved sygdom - er proteinerne naturligvis også i spil. Derfor kan man behandle sygdommens symptomer og i visse tilfælde helbrede patienten helt ved hjælp af lægemiddelstoffer, som kan ændre proteinernes aktivitet. Det lyder nemt nok - men i praksis er opgaven uhyre svær.
Et godt udgangspunkt for fremstilling af nye lægemiddelstoffer er at opklare målmolekylets tredimensionelle struktur. Man kan sammenligne lægemiddelstoffet med en nøgle og målmolekylet med et nøglehul. Nøglens opgave er at låse op eller i for proteinets funktion. For at kunne finde præcis den nøgle, der passer i nøglehullet, er det vigtigt at vide, hvordan nøglehullet er udformet, og hvilke byggesten det består af. Processen kaldes strukturbaseret lægemiddelforskning.
Nervecellers kommunikation
Gruppen for Biostrukturel Forskning på Danmarks Farmaceutiske Universitet har i næsten ti år arbejdet med en type proteiner, som kaldes ionotrope glutamatreceptorer.
Glutamat er hjernens vigtigste stimulerende signalstof, og de ionotrope glutamatreceptorer findes overalt i hjernen, hvor de medvirker til hurtig udveksling af information mellem nervecellerne. Denne udveksling af information er helt afgørende for, at hjernen kan fungere korrekt. Når det system, som receptorerne indgår i, bryder sammen, har det fatale konsekvenser. Nogle eksempler er alvorlige neurologiske sygdomme som Alzheimers og Parkinsons sygdom samt epilepsi.
Netop fordi glutamat er hjernens vigtigste stimulerende signalstof, er det ikke nødvendigvis hensigtsmæssigt med lægemiddelstoffer, der aktiverer alle typer glutamatreceptorer, da konsekvensen kan blive overophedning af nervecellerne og i sidste ende nervedød. På tilsvarende vis er det heller ikke nødvendigvis fornuftigt at blokere eller hæmme alle typer glutamatreceptorer med lægemiddelstoffer, fordi det kan forrykke den hårfine balance mellem stimulerende og hæmmende signaler i hjernen.
Derfor er der stor interesse for at udvikle lægemiddelstoffer rettet mod udvalgte glutamatreceptorer. Det giver mulighed for specifikt at påvirke sygdomsprocesser, som den pågældende receptortype er involveret i, og på den måde genoprette den normale kommunikation mellem nervecellerne. En stor hjælp i denne proces er kendskab til strukturen af receptoren, så man kan designe nøgler, der passer i den rigtige lås - og kun i den.
Vores indfaldsvinkel til forskningsarbejdet er at bestemme tredimensionelle strukturer af forskellige typer af ionotrope glutamatreceptorer ved hjælp af en metode, som kaldes røntgenkrystallografi.
I dag har vi kendskab til 18 forskellige ionotrope glutamatreceptorer. Vi har i en del år koncentreret os om den type af receptorerne, som kaldes GluR2. For at kunne forstå hvorfor nogle stoffer primært virker på en bestemt type af receptorer, har vi nu udvidet projektet til også at omfatte andre typer, bl.a. receptoren GluR5.
- Figuren viser omridset af bindingslommen på glutamatreceptorerne GluR2 (t.v.) og GluR5 (t.h.). Lommen har forskellig størrelse på de to receptorer, og dette kan udnyttes til design af lægemiddelstoffer med selektiv virkning på den af receptorerne, man ønsker at påvirke. Rødt viser områder i bindingslommen, der kan fungere som acceptorer for brintbindinger, mens blåt markerer områder med brintdonerende egenskaber.
Benhård konkurrence
I efteråret 2004 lykkedes det os at få etableret en metode til at fremstille de nødvendige mængder protein til krystallisation af den del af GluR5-receptoren, som binder signalstoffet og lægemiddelstoffer. Men så begyndte rygterne i den videnskabelige verden at svirre - en amerikansk forskergruppe var ved at publicere den selv samme struktur.
Nu skulle det gå stærkt. Og når engagementet og viljen er tilstede, kan man komme utroligt langt på kort tid. I løbet af en meget hektisk måned med arbejdsuger på op til 80- 100 timer blev der samlet og analyseret data, og en artikel blev skrevet og sendt af sted. Heldigvis var det hele sliddet værd. Vores struktur kom ud til offentligheden først - tre dage før konkurrentens!
Ionotrope glutamatreceptorer
Ionotrope glutamatreceptorer medvirker til overførsel af information mellem nerveceller.
Hver nervecelle har tusinder af forbindelser til andre nerveceller. Cellerne mødes i synapser, hvor de to cellers membraner ligger tæt op af hinanden. Kommunikationen sker ved, at den ene nervecelle udsender sit signalstof, som opfanges af receptorer i membranen på den anden celle. På den måde sendes information fra den ene nervecelle til den anden. I dette tilfælde frigiver afsenderen signalstoffet glutamat, som diffunderer hen til en ionotrop glutamatreceptor på modtagercellen. Signalstoffet bindes til receptoren, og det bevirker, at en kanal åbnes i receptoren, så der nu kan trænge ioner ind i cellen. Efter kort tid frigives signalstoffet, og kanalen lukkes igen.
Nøglehul på atomart niveau
Hvad har strukturen af GluR5 så lært os? Først og fremmest har vi opnået vigtig viden om det område i receptoren, hvortil det naturlige signalstof glutamat bindes. Denne viden kan udnyttes til at designe potentielle lægemiddelstoffer, der er selektive for denne type receptorer. Da de forskellige typer af ionotrope glutamatreceptorer minder meget om hinanden, er det en stor hjælp at kende de små forskelle helt ned på atomart niveau. Skal man file en nøgle til, er det godt at kende nøglehullet først og dermed kunne regne ud, hvordan nøglen kan forbedres.
Et af de store spørgsmål er, hvordan binding af signalstoffet fører til åbning af ionkanalen, og hvordan den herefter lukker igen. Når man sammenligner strukturen af den del af GluR5, som binder glutamat, med strukturer af GluR2, kan man se de bevægelser, der sker i proteinet efter binding af signalstoffet. For at blive i billedet med nøgle og lås kan man altså sige, at vi har set, at låsen også tilpasses af nøglen. Så vi har nu en arbejdsmodel for, hvordan ionkanalen åbnes og lukkes. Denne viden er en vigtig lille brik i forståelsen af, hvordan information overføres fra den ene nervecelle til den næste. Helt nede på atomart niveau er vi altså nu i stand til at studere, hvordan de enkelte tandhjul bevæger sig i det utroligt komplekse maskineri, som menneskets hjerne og nervesystem er.
Røntgenkrystallografi opklarer strukturen
Røntgenkrystallografi er en vigtig metode til at bestemme den tredimensionelle struktur af store og små molekyler. En afgørende forudsætning er krystaller af molekylet. At opnå dette med store makromolekyler som proteiner er en vanskelig kunst, og fremstilling af store mængder rent protein til krystallisation er ofte den største forhindring på vejen til at opklare strukturen af et protein.
Perfekte krystaller er opbygget af en grundbyggesten - bestående af et eller flere molekyler - der gentages igen og igen hele vejen gennem krystallen. Denne regelmæssighed udnytter man ved at beskyde krystallen med intens røntgenstråling. Røntgenstrålen bliver spredt af krystallen i et mønster, der afspejler, hvordan atomerne i det enkelte molekyle er placeret i forhold til hinanden.
Når man har målt dette spredningsmønster, kan man regne sig frem til atomernes art og position i krystallen og dermed bestemme molekylets tredimensionelle opbygning. Disse beregninger er krævende, når det gælder proteiner, som normalt består af flere tusinde atomer.
