Китайские ученые из Шанхайского технологического университета синтезировали более мощные аналоги тетрагидроканнабинола — психоактивного вещества, содержащегося в конопле. Используя эти вещества в своих исследованиях, биохимики определили механизм влияния марихуаны на клетки человеческого мозга. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Известно, что деятельность центральной нервной системы человека контролируется так называемой эндоканнабиноидной системой. Нейроны выпускают специфические вещества, которые влияют на передачу сигнала между клетками. Посредниками являются особые белковые молекулы — каннабиноидные рецепторы.
Эти соединения относятся к GPCR — группе сопряженных с G-белком рецепторов (или серпентинов). GPCR служат спусковым крючком для многих внутриклеточных процессов, связанных с передачей сигнала. Они состоят из семи белковых спиралей, или доменов (обычно обозначаются римскими цифрами I, II, III и т.д.), погружены в клеточную мембрану и «выглядывают» с обеих ее сторон.
Их главная особенность — способность переходить из неактивного состояния в активное (и обратно), при котором также активируются присоединенные к ним с внутренней стороны клетки G-белки. Последние отсоединяются от GPCR и передают сигнал дальше.
Изображение: Zhi-Jie Liu et al. / Cell
При этом ряд веществ может воздействовать на GPCR. Они присоединяются к рецептору (то есть являются лигандами рецептора) снаружи и влияют на его активацию. Так, агонисты смещают равновесие между неактивной и активной формой в сторону активной, усиливая передачу сигнала. При этом возможна как стопроцентная, так и частичная активация. Обратные агонисты делают наоборот, а антагонисты мешают и тем, и другим.
Иногда эту картину сильно упрощают, включая обратных агонистов в группу антагонистов. В этом случае предполагается, что агонисты просто «включают» рецептор, а антагонисты препятствуют этому. Однако при этом упускается тот факт, что различные агонисты по-разному действуют на свои рецепторы.
Одним из каннабиноидных рецепторов является CB1. Его самый известный агонист — выделенный в 1964 году дельта-9-тетрагидроканнабинол (ТГК) — психоактивное вещество, содержащееся в конопле Cannabis sativa. Его действие на мозг обусловлено тем, что молекулярная структура очень похожа на структуру каннабиноидов, производимых самим организмом (эндоканнабиноидов). К ним относятся, например, анандамид и 2-арахидоноил-глицерол, которые были открыты позднее. Эти вещества вырабатываются нейронами головного мозга и являются нейротрансмиттерами, то есть способствуют передаче нейронных импульсов. Результаты экспериментов с крысами показали, что анандамид влияет на когнитивные процессы грызунов, нарушая память, но может усиливать удовольствие от приема пищи.
Эндоканнабиноиды способствуют стопроцентной активации, что делает их полными агонистами, а ТГК является лишь частичным агонистом. Чтобы понять, почему так происходит, необходимо знать, как различные лиганды влияют на пространственную структуру каннабиноидного рецептора 1. Это ключ к разработке в медицинских целях синтетических каннабиноидов с заранее известными свойствами.
В предыдущих исследованиях изучалось влияние молекул, блокирующих действие каннабиноидов-агонистов, то есть антагонистов и обратных агонистов. В результате CB1 становится не особо подвижным, его конформация (пространственное расположение атомов) изменяется слабо, что позволяет ученым легко получить кристаллы белка. Рентгеноструктурный анализ последних дает четкую дифракционную картину, по которой определяется структура рецептора. Однако этот подход не позволяет узнать структуру активных форм рецептора. Для этого необходимо найти способ как-то стабилизировать CB1 в активной форме.
Для этой цели исследователи создали две модификации ТГК — тетрагидроканнабинол (AM11542) и гексагидроканнабинол (AM841). Подобно дельта-9-тетрагидроканнабинолу они способны связываться с рецептором, однако производят при этом полное агонистическое действие. В результате рецептор оказывается в стабильном активном состоянии. Связанные молекулы затем помещали в особую среду, называемую липидной кубической фазой. Она представляет собой трехмерную структуру из молекул липидов, из которых состоят клеточные мембраны. Это позволяет предотвратить слипание связанных рецепторов в бесформенные сгустки. Кубическая фаза помогает вырастить правильный кристалл, пригодный для получения дифракционной картины.
Липидная кубическая фаза
Изображение: National Academy of Sciences
Исследования показали, что пространственные структуры связок ТГК-AM11542 и ТГК-AM841 очень похожи, за исключением некоторых незначительных различий. Оба лиганда садятся в один и тот же «карман», образованный трансмембранными спиралями, формируют ковалентные и гидрофобные связи с боковыми цепями доменов и вызывают перестройку последних. Внеклеточные части спиралей I и II перемещаются вовнутрь на 6,6 и 6,8 ангстрем (1 ангстрем равен 0,1 нанометра) соответственно, а цитоплазматическая часть домена VI — на 8 ангстрем. В результате происходит 53-процентное уменьшение объема лиганд-связывающего пространства и увеличивается площадь участка, который связывается с G-белком.
Проще говоря, внутри CB1 задействуется молекулярный тумблер, который изменяет его состояние. Когда с рецептором связывается антагонист, первый переходит в выключенное состояние. Наоборот, если с серпентином реагирует каннабиноид, то смещение спиралей позволяет CB1 быстрее активировать G-белки. Подобный тумблер, как показал анализ аминокислотных последовательностей других рецепторов, вероятно, существует также у CB2 и некоторых других GPCR, реагирующих не на каннабиноиды, а на другие лиганды — хемокины.
Однако ученые не просто определили, что происходит с CB1, они выяснили, какие именно части лиганда провоцируют смещение спиралей. Например, алкильный «хвост» синтетических каннабиноидов был длиннее, чем у ТГК, что позволило молекулам теснее взаимодействовать с рецептором, усиливая его активность. Это открывает путь к созданию соединений с различными фармакологическими свойствами.
Примером таких веществ могут служить M404 и URB597: они не вызывают побочных эффектов, характерных для тетрагидроканнабинола, однако помогают лечить эпилепсию, оказывая тормозящее действие на центральную нервную систему.