Новые мишени для лекарств
4768
0
Терри Кенакин
Половина всех используемых сегодня лекарственных средств
имеет на молекулярном уровне много общего. Их мишенью является извивающийся
наподобие серпантинной ленты белок, семь раз пересекающий клеточную мембрану.
Наружная часть ленты служит «антенной», улавливающей химические сигналы,
которые поступают к клетке, а внутренняя – запускает клеточный ответ,
начинающийся с активации так называемого G-белка. Подобные молекулярные структуры
называются рецепторами, сопряженными с G-белком (GPCR, от англ. G-protein
coupled receptor).
В отличие от остальных видов поверхностных клеточных
рецепторов GPCR универсален. С ними связываются и нейромедиаторы, всего в
несколько раз превосходящие по массе атом углерода, и более крупные белки. GPCR
участвуют почти во всех жизненно важных процессах, протекающих в организме: они
поддерживают работу сердца, органов пищеварения и дыхания, мозговую
деятельность. Не менее разнообразны и связывающиеся с ними лекарственные
вещества: гипотензивные средства (например, пропранолол), антацидные препараты
(ранитидан), бронхолитики (альбутерол) и антидепрессанты (пароксетин). Все
перечисленные, а также не указанные здесь средства применяются для лечения
гипертонии, застойной сердечной недостаточности, язвы, астмы, тревожных
состояний, аллергии, рака, мигрени, болезни Паркинсона и т.д.
Все нацеленные на GPCR препараты или связываются с
«антенной» рецептора (активным центром) и имитируют эффект природных нейромедиатора,
гормона или другого вещества, которые в норме прибегают к посредничеству GPСR,
или влияют на способность природного «сигнальщика» воздействовать на антенну.
Биотехнологическая революция, произошедшая более 15 лет назад, позволила ученым
по-новому взглянуть на функционирование GPCR. Были разработаны новые способы
влияния на их активность, и появилась надежда на возможное применение этих
достижений в фармакологии. О воздействии многих лекарственных средств на GPCR-рецепторы
известно давно, но поиски новых препаратов такого типа только начинаются,
правда, несколько агентов (среди них – действующие на вирус СПИДа) уже найдены.
Сегодня они проходят клинические испытания.
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
ОБЗОР: НОВЫЕ МИШЕНИ ДЛЯ ЛЕКАРСТВ
Сопряженные с G-белком рецепторы (GPCR), расположенные на
клеточной поверхности, передают клетке информацию о присоединении к ним гормона
и других специфических соединений путем активации G-белка, который примыкает к
клеточной мембране с внутренней стороны.
Примерно половина современных лекарств взаимодействуют с
GPCR. Они связываются с теми же сайтами, что и природные сигнальные молекулы.
Исследования, проведенные за последние 10 лет, показали, что
активность GPCR также меняется под действием веществ, связывающихся не с
активным центром, а с другими участками молекулы. Это открывает новые
возможности для поиска лекарственных веществ, которые могут помочь в борьбе с
раком и другими серьезными заболеваниями
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
-
[lib]target1.jpg[/lib]
Сопряженный с G-белком рецептор (GPCR) похож на ленту
серпантина, семь раз пересекающую клеточную мембрану. Обычно он не передает
клетке никакой информации (верхняя часть рисунка), пока с его активным центром
не свяжется сигнальная молекула (гормон, нейромедиатор и т.д.). После этого
рецептор активирует особую молекулу – G-белок (нижняя часть рисунка); он
посылает клетке сигналы, в ответ на которые ее поведение изменяется.
[lib]target2.jpg[/lib]
Главное – быть в
форме
Примерно 10 лет назад фармацевты полагали, что эффективность
любого лекарственного вещества, способного повлиять на GPCR, зависит от
связывания его с активным центром последнего. Считалось, что в живом организме
такие вещества, как нейромедиаторы, гормоны и другие сигнальные молекулы,
содержат химическую группу (лиганд), которая играет роль «ключа» по отношению к
«замку» – активному центру. Но если некое другое вещество (ингибитор) перекроет
доступ к замку, то вещество-активатор не сможет выполнить свою функцию и
нежелательной передачи сигнала не произойдет. Напротив, некое вещество, сходное
с природным лигандом, может открыть «замок» и инициировать передачу информации.
Ученые считали также, что оптимальный способ инициации
избирательного физиологического ответа состоит в использовании вещества,
которое взаимодействовало бы только с одной из форм рецептора, игнорируя все
остальные. Например, нейромедиатор норадреналин активирует два типа GPCR – альфа-
и бета-адренорецепторы. Первый из них представлен четырьмя формами, второй –
тремя. Эти разные рецепторы контролируют разные жизненно важные процессы. Так, бета1-адренорецептор
отвечает за повышение силы и частоты сердечных сокращений, а бета2-адренорецептор
– за расширение дыхательных путей. Таким образом, чтобы устранить их сужение,
нужно найти вещество, способное стимулировать бета2-адренорецепторы, подобно
норадреналину, но не влияющее на бета1-адренорецепторы.
Многие лекарственные вещества действуют как ингибиторы, или
агонисты, связываясь с активным центром специфического GPCR. Но существует и
другой механизм влияния на рецепторы. GPCR, как и многие другие белки, обладают
тем свойством, что с изменением конформации какой-то одной их части меняется
конформация всей молекулы.
GPCR – это динамичная структура, все время переходящая из
одной конформации в другую. Когда природная сигнальная молекула связывается с
активным центром рецептора, происходит стабилизация определенной структуры и
активация G-белка. Однако может случиться, что некая молекула соединится с
областью рецептора, удаленной от активного центра, и при этом изменится
конформация всего рецептора. Такой процесс называется аллостерической
регуляцией, а участвующая в нем молекула – аллостерическим регулятором
(модулятором). В одних случаях GPCR под действием регулятора переходит в
активное состояние, в других – принимает такую форму, когда связывание
сигнальной молекулы становится невозможным (например, может произойти сужение
«кармана», где находится активный центр, и он окажется недоступным для
природного лиганда).
Представим, что рецептор имеет несколько центров связывания
аллостерических регуляторов, и, заняв любой из них, какая-нибудь малая молекула
индуцирует образование стабильной структуры, обладающей биологической
активностью. Это сразу расширяет спектр возможных модификаций биологических
функций GPCR с целью получения терапевтического эффекта.
Ученые, занимающиеся проблемами СПИДа, заняты поисками
модуляторов, способных блокировать межмолекулярные взаимодействия, опосредующие
ВИЧ-инфекцию. Известно, что вирус иммунодефицита человека атакует клетки под
названием хелперные Т-лимфоциты, используя для связывания с ними поверхностный
клеточный белок CD4. Но в середине 1990-х гг. выяснилось, что этот белок
действует не в одиночку. Чтобы попасть в клетку, вирусной частице нужен еще
один «якорь»: один из GPCR-рецепторов, известный как CCR5. Обычно CCR5 служит
мишенью для любого из трех хемоцитокинов, природных сигнальных молекул, которые
«привлекают» клетки иммунной системы к месту инфекции. Но он же играет роль
того «крючка», за который цепляется белок вирусной оболочки gp120. Не вызывает
сомнений, что CCR5 играет ключевую роль в инфицировании человека вирусом
иммунодефицита. И те редкие счастливцы, у кого CCR5 находится в неактивной
форме, могут не бояться смертельно опасного вируса.
Сегодня первую фазу клинических испытаний проходят несколько
аллостерических модуляторов, которые фиксируют CCR5 в конформации, не благоприятствующей
связыванию с ним вирусного белка gp120.
mso-padding-alt:1.2pt 1.2pt 1.2pt 1.2pt;mso-border-insideh:1.0pt solid windowtext;
mso-border-insidev:1.0pt solid windowtext'>
ПРЕПАРАТЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА GPCR
Фирменное название (международное название) / Изготовитель
Действие
Аллерга (фексофенадин) / Aventis
Блокирует действие гистамина, применяется при аллергии
Дюрагесик (фентанил) / Janssen
Болеутоляющее средство
Зантак (ранитидин) / GlaxoSmithKline
Оказывает анацидное действие
Зипрекса (оланзапин) / Eli Lilly
Антипсихотическое средство
Зиртек (цетиризин) / Pfizer
Блокирует действие гистамина
Имитрекс (суматриптан) / GlaxoSmithKline
Применяется при мигрени
Лопрессор (метопролол) / Novartis
Снижает артериальное давление
Оксиконтин (оксикодон) / Purdue
Болеутоляющее средство
Пепсид (фамотидин) / Merck
Оказывает анацидное действие
Серевент (салметерол) / GlaxoSmithKline
Расширяет дыхательные пути
Сингулар (монтелукаст) / Merck
Уменьшает воспаление дыхательных путей
Судафед (псевдоэфедрин) / Pfizer
Секретолитическое средство
Фенерган (прометазин) / Wyeth
Блокирует действие гистамина
Фломакс (тамсулозин) / Boehringer Ingelheim
Смягчает симптомы при аденоме предстательной железы
Перечисленные агенты – это лишь часть веществ,
связывающихся с GPCR.
Регулятор громкости
Последствия связывания внеклеточных сигнальных молекул с
GPCR зависят также от числа рецепторов данного типа на клеточной поверхности.
Разумно предположить, что чем больше рецепторов свяжется с такими молекулами,
тем «громче» будет сигнал, посланный клетке, и тем сильнее ответ. Но с
изменением числа рецепторов меняется не только громкость сигнала, но и то,
какие из G-белков активируются, т.е. какие внутриклеточные процессы
запускаются.
Все G-белки можно разбить на четыре основных класса,
состоящих из нескольких подклассов. Каждый из белков данного подкласса отдает
предпочтение какому-то одному GPCR, так что один GPCR активизирует разные G-белки
в разной степени. Таким образом, небольшое содержание данного рецептора
приводит в действие только наиболее чувствительные G-белки, а его обилие
активизирует различные G-белки и, как следствие, запускает целый спектр
клеточных процессов.
Учитывая вышесказанное, мы не можем считать GPCR-рецептор
чем-то вроде тумблера, который включается в ответ на связывание гормона или
нейромедиатора и выключается, когда от него отсоединяются сигнальные молекулы.
Это гораздо более сложное устройство по обработке информации. Теоретически
спектр процессов, которые может запускать данный GPCR, зависит от разнообразия
связываемых им лигандов и от круга активируемых G-белков. Рассмотрим следующую
ситуацию: некий рецептор реагирует на любой из трех разных сигналов и может
активировать любой из двух, трех, четырех или все четыре основных G-белка
(именно такое поведение свойственно GPCR, реагирующему на тиротропный гормон
гипофиза, который приводит в действие работу щитовидной железы). «Поведенческий
спектр» такого рецептора будет довольно широким – 72 типа поведения. Если бы
рецептор был простым тумблером, типов поведения было бы всего два.
Столь большое разнообразие функций рецепторов позволяет
надеяться на возможность их применения в медицинских целях. Лекарственные
вещества могут стабилизировать разные биологически активные формы рецептора, и
каждая из них будет взаимодействовать со своим G-белком или же несколькими G-белками,
что приведет к запуску широкого спектра внутри-клеточных процессов. С помощью
таких же веществ можно регулировать число активных рецепторов на клеточной
поверхности.
Последний из двух подходов имеет неплохие перспективы как
способ борьбы с ВИЧ-инфекцией. Правда, здесь возникает одна проблема: вирус
иммунодефицита быстро мутирует, и с каждым новым изменением придется искать
новый лиганд, который блокировал бы связывание белка вирусной оболочки с
соответствующим центром рецептора CCR5. Чтобы решить проблему, можно удалить
рецептор с клеточной поверхности и тем самым лишить вирус возможности атаковать
клетку.
Как и все другие GPCR, CCR5 постоянно синтезируется клеткой,
размещается на ее поверхности, а затем «втягивается» внутрь и разрушается.
Известно, что некоторые хемокины способствуют поглощению CCR5 клеткой.
Возможно, существуют лекарственные вещества, которые не только ускоряют процесс
удаления CCR5 с клеточной поверхности, но и привносят изменения, к которым
вирус не сможет адаптироваться. В конце концов, при отсутствии рецептора
никакие модификации не помогут вирусу иммунодефицита.
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
РАЗНЫЕ СПОСОБЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РЕЦЕПТОР
Мишенью для большинства лекарственных препаратов служит
активный центр того или иного рецептора, расположенного на клеточной
поверхности. Многие из них связываются с активным центром специфических
рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCR) (внизу). Но на поведение GPCR могут
влиять и небольшие молекулы (аллостерические модуляторы), которые воздействуют
на участки рецептора, удаленные от его активного центра (справа). Есть надежда,
что модуляторы станут еще одной мишенью для лекарственных веществ и появится
еще одна возможность активировать или, напротив, ингибировать GPCR,
ассоциированные с различными заболеваниями.
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
ОБЫЧНЫЕ ЛЕКАРСТВЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА
[lib]target3.jpg[/lib]
Сегодня лекарственные вещества, мишенью которых являются
GPCR, либо связываются с активным центром, имитируя действие сигнальной
молекулы (слева), либо блокируют активный центр, преграждая доступ к нему этой
молекулы (справа).
АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЕ МОДУЛЯТОРЫ
[lib]target4.jpg[/lib]
Эти агенты стабилизируют GPCR в конформации, способствующей
либо активации GPCR (не показано), либо его инактивации (вверху). В последнем
случае GPCR находится в конформации, при которой активный центр недоступен для
сигнальной молекулы.
ИНДУКТОРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ
[lib]target5.jpg[/lib]
Индукторы поглощения провоцируют переход рецептора с
наружной стороны мембраны внутрь клетки. Сигнальная молекула лишается своей
мишени и не может передать клетке никакой информации.
ОБРАТНЫЕ АГОНИСТЫ
[lib]target6.jpg[/lib]
Обратные агонисты связываются с конститутивными GPCR. Такие
рецепторы обладают уникальной способностью самопроизвольно переходить в
активное состояние (вверху) и передавать клетке неконтролируемую информацию.
Присоединение обратного агониста инактивирует рецептор и прерывает сигнал
(внизу). Необычно много конститутивных рецепторов несут на своей поверхности
раковые клетки. Возможно, с этим связана их способность к бесконтрольному
делению. Есть надежда, что обратные агонисты, выводящие конститутивные GPCR из
строя, станут еще одним средством борьбы с раком.
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
Как устранить
провокаторов?
GPCR-рецепторы обладают еще одним интересным свойством –
конститутивной активностью: иногда они активируют G-белки без всякой видимой
причины, т.е. в отсутствие лиганда. Такой вид деятельности GPCR связан с вполне
определенным изменением конформации, которая, впрочем, возникает крайне редко.
Обычно круг веществ, которым она подходит, очень узок, так что они не оказывают
заметного влияния на общую картину поведения клеток, и обнаружить какие-либо
изменения совсем не просто. Однако если конститутивных рецепторов становится
слишком много, то их суммарный сигнал клетка игнорировать не может.
Последствия такого поведения становятся особенно неприятными
при различных заболеваниях, например, вирусных инфекциях и онкологии. Их
развитие может провоцировать необычное поведение того или иного рецептора. Так,
при одной из разновидностей рака поджелудочной железы «провокатором» служит
рецептор гормона под названием вазоактивный интестинальный полипептид (ВИП). В
норме активация этим гормоном GPCR клеток поджелудочной железы способствует
клеточному делению, и если таких рецепторов становится слишком много, то те их
варианты, которые активируются без стимуляции ВИП, дают толчок к
неконтролируемой клеточной пролиферации и развитию рака. Онкологам давно
известно о деструктивном поведении некоторых конститутивных рецепторов,
отличных от GPCR (например, рецептора ras). Однако во всех подобных случаях в
основе аномалии лежат мутационные изменения в соответствующих генах, а не
избыточность рецепторов.
Сбой в поведении клеток под воздействием конститутивных рецепторов
не удается устранить никакими известными на сегодняшний день лекарственными
средствами. Любой стимулятор (агонист) может только повысить число рецепторов,
находящихся в активном состоянии, что явно нанесет вред больному. Любой
ингибитор (антагонист) может блокировать лишь нормальные сигналы, посылаемые
активированным рецептором, и беспомощен перед рецепторами, для которых никакие
законы не писаны. Необходимо найти вещества совершенно иного действия, которые
фиксировали бы конститутивные GPCR-рецепторы в неактивной конформации.
Такие агенты («обратные агонисты») могли бы стать новым
терапевтическим средством при лечении онкологических заболеваний. Большие
надежды возлагают на них и специалисты по борьбе с ожирением. Мишенью «обратных
агонистов» в данном случае может служить рецептор грелина, недавно открытого
гормона, секретируемого в основном слизистой желудка, а также Н3-подтип
рецептора гистамина, который принимает участие в регуляции чувства насыщения.
ОДИН ИЗ ВОЗМОЖНЫХ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С ВИЧ-ИНФЕКЦИЕЙ
[lib]target7.jpg[/lib]
[lib]target8.jpg[/lib]
[lib]target9.jpg[/lib]
Известно по крайней мере два новых типа лекарственных
средств, действующих на CCR5 – один из сопряженных с G-белком рецепторов,
которые, возможно, смогут победить СПИД. Возбудитель этого заболевания, вирус
иммунодефицита человека (ВИЧ), поражает хелперные Т-клетки иммунной системы.
Сначала вирусная частица адсорбируется на клеточной поверхности при участии
молекулы CD4 (1), затем с помощью вирусного белка gp120 связывается с
рецептором CCR5(2). Это обеспечивает проникновение в клетку вирусной ДНК (3) и
превращает клетку в «машину» по производству вирусных частиц. Найден
аллостерический модулятор, изменяющий конформацию CCR5 так, что gp120 перестает
его узнавать. Такой модулятор уже проходит клинические испытания. Но беда в
том, что ВИЧ очень быстро мутирует: «новый» gp120 присоединяется к измененному
CCR5, и вирус проникает в Т-клетку. Другой, более радикальный способ борьбы с
ВИЧ состоит в удалении CCR5 с клеточной поверхности. В этом случае никакие
мутации не помогут вирусной частице связаться с клеточной мембраной.
Использование
«фантомных» генов
Большой интерес представляет еще одна особенность поведения
GPCR. Иногда в клетке образуются белковые комплексы, которые функционируют как
рецепторы, обладающие свойствами, не характерными ни для одного из их
компонентов. В экстремальных случаях клетка, несущая такой рецептор,
приобретает способность реагировать на сигнал, обычно пренебрегаемый ею. Каждый
компонент белкового комплекса кодируется своим геном, который и определяет все
его свойства. Однако комплекс в целом никаким отдельным геном в геноме не
представлен, и предсказать его свойства невозможно. Такой комплекс можно
назвать продуктом «фантомных» генов.
В одних случаях новоявленный рецептор представляет собой
комплекс из двух или более GPCR, в других – состоит из одного GPCR и какого-нибудь
белка, придающего рецептору ряд новых свойств. По-видимому, именно к такому
типу относится рецептор амилина. Секретируемый теми же клетками поджелудочной
железы, которые вырабатывают инсулин, амилин модулирует действие последнего. Но
все попытки найти белок, который служил бы для него рецептором, не увенчались успехом.
Более того, анализ генома человека с целью идентификации гена этого белка тоже
ничего не дал. В то же время на амилин строго избирательно реагирует комплекс,
состоящий из рецептора гормона кальцитонина и белка RAMP (от англ. receptor
activity-modifying protein). По-видимому, RAMP придает кальцитониновому
рецептору способность «говорить» на нескольких языках: он реагирует на
кальцитонин в отсутствие RAMP и становится чувствительным к амилину в его
присутствии.
Другой белок, RCP (от англ. receptor component protein),
отвечает за чувствительность кальцитонинового рецептора к еще одному веществу,
CGRP (от англ. calcitonin-gene-related peptide). В настоящее время он служит
самым эффективным средством для расширения кровеносных сосудов. Трансформация,
которую претерпевает при его участии кальцитониновый рецептор, крайне важна при
беременности, когда уровень сосудорасширяющего белка в крови резко падает, а
уровень RCP в стенке матки повышается. С повышением концентрации RCP
увеличивается число кальцитониновых рецепторов, чувствительных к
сосудорасширяющему пептиду, что улучшает кровоснабжение тканей, обеспечивающих
жизнедеятельность плода.
Белки, влияющие на поведение GPCR, тоже могут служить
мишенью для лекарственных средств. Одним из таких белков является модулин,
связывающийся с серотониновым рецептором. Серотонин – известный нейромедиатор,
отвечающий за регуляцию настроения. (Прозак и другие аналогичные ему
антидепрессанты способствуют повышению уровня серотонина в головном мозге.) Он
влияет также на работу кишечника и кровеносные сосуды. Рецепторы серотонина
имеют множество подтипов, а модулин вносит еще большее разнообразие в действие
серотонина на клетки, изменяя чувствительность к нему каждого подтипа. Если
найдется препарат, который будет повышать или понижать эффективность действия
модулина, то он сможет увеличивать или уменьшать влияние серотониновых
рецепторов на специфические клетки, что, в свою очередь, откроет новые
возможности для лечения различных заболеваний – от депрессии до нарушений в работе
желудочно-кишечного тракта.
По оценкам исследователей, из 650 GPCR-генов в геноме
человека 330 кодируют продукты, которые могут служить мишенями для лекарств,
способных повлиять на функционирование рецепторов. Ранее ученые-фармакологи
ограничивались поисками таких веществ, которые имитировали бы действие уже
известных ингибиторов или агонистов, нацеленных на активный центр рецептора. Но
после того, как обнаружилось, что многие GPCR имеют несколько сайтов
(потенциальных мишеней для лекарственных средств), поле деятельности сразу
расширилось. Если учесть, как много нового узнали ученые о принципах регуляции
работы GPCR, то становится ясно, что даже старым игрокам на этом поле найдется
достойное место.
НЕКОТОРЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ И НОВЫЕ ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА
Заболевание
Механизм действия
Название агента (изготовитель)
Мишень
Стадия испытаний
СПИД
Аллостерический модулятор
Аплавирок (GlaxoSmithKline); Vicriviroc (Schering-Plough);
UK-427, 857 (Pfizer)
CCR5
Фаза II или III клинических испытаний (тесты на эффективность)
Аллостеорический модулятор
AMD3100 (AnorMed)
CXCR4
Фаза II клинических испытаний
Индуктор поглощения
PSC-RANTES (несколько институтов)
CCR5
На стадии исследований
Диабет
Связывается с рецептором, образованным двумя компонентами
Симлин (Amylin)
Комплекс, состоящий из белка RAMP и рецептора кальцитонина
(гормона щитовидной железы)
Получил одобрение в марте 2005 г.
Ожирение
Обратный агонист
Конститутивный рецептор грелина; ЦНС
На стадии исследований
Обратный агонист
Конститутивный Н3-рецептор гистамина
На стадии исследований
Рак
Обратный агонист
Различные конститутивные GPCR
На стадии исследований
Поиски и синтез лекарственных веществ, которые по-новому
действуют на GPCR, только начинаются. Возможно, некоторые из уже найденных
веществ вскоре найдут практическое применение.
Терри Кенакин (Terry Kenakin) – главный научный сотрудник
фармацевтической компании GlaxoSmithKline. Он тридцать лет занимается
исследованиями, связанными с применением принципов рецепторной фармакологии в
поиске новых лекарственных средств.
«В МИРЕ НАУКИ», № 2-2006
