| A Target for Epilepsy: Key Brain Receptor Structure Solved
UT Southwestern researchers today published the first atomic structure of a brain receptor bound to a drug used to reverse anesthesia and to treat sedative overdoses.
"This study reveals the first high-resolution structural information for one of the most abundant and important neurotransmitter receptors in the brain," said Dr. Ryan Hibbs, corresponding author of the study published in Nature and Assistant Professor of Neuroscience and Biophysics with the Peter O'Donnell Jr. Brain Institute at UT Southwestern. "We are tremendously excited about it."
Many drugs - both legal and illegal - work on the GABAA receptor. Particularly well-known are the benzodiazepines, which are used for anesthesia during surgery and prescribed to treat epilepsy, anxiety, and insomnia, he said, adding that solving the structure of the receptor could someday lead to better treatments for those conditions
The GABAA receptor binds to GABA (γ-aminobutyric acid), the major inhibitory, or calming, neurotransmitter in the adult brain. To function properly, the brain needs a balance of stimulating and calming signals, said Dr. Hibbs. Dysfunction of the GABAA receptor is found in conditions marked by excessive excitation in the brain, such as epilepsy. In addition to the benzodiazepine class of sedatives, the GABAA receptor is a common target for barbiturates, anesthetics, and alcohol, he added. All of these drugs act on the brain by increasing the activity of the GABAA receptor, which in turn further dampens, or calms, brain activity.
"This receptor is a pharmacological gold mine. However, where these drugs bind and how they exert their effects had not been understood at the structural level, forcing scientists to base their understanding of this receptor on computational modeling," Dr. Hibbs said.
The GABAA receptor has been notoriously resistant to X-ray crystallography. That method - long considered the gold standard of structural biology - requires the crystallization of proteins so that structures can be determined based on X-ray diffraction patterns, explained Dr. Hibbs, an Effie Marie Cain Scholar in Medical Research.
Dr. Shaotong Zhu, the lead author in this study and a postdoctoral researcher in Neuroscience, pursued the structure by crystallography and obtained crystals that diffracted X-rays very poorly. In parallel, she worked to obtain the structure using cryo-electron microscopy (cryo-EM), which was ultimately successful. The results provide the first 3D atomic structures of the receptor bound to its neurotransmitter GABA and to the drug flumazenil, which is used to reverse anesthesia and to treat benzodiazepine overdoses.
The researchers obtained the high-resolution structures using the University's $22.5 million cryo-EM facility, where samples are rapidly frozen to prevent the formation of damaging ice crystals and then viewed at around minus 300 degrees Fahrenheit (cryogenic temperatures). UT Southwestern's facility - which runs round the clock - is one of the world's top facilities for cryo-EM structural biology.
The researchers devised methods to express and purify the human synaptic GABAA receptor from cells in flasks and used electrophysiological experiments, in combination with the structural information from cryo-EM, to test the effects on the receptor of the neurotransmitter GABA, a benzodiazepine (diazepam), and flumazenil.
"We were able to define how GABA binds so selectively to the receptor and to explain why drugs like benzodiazepines and flumazenil - the agent that competes with those drugs at the same binding site to reverse their effects - act specifically on this receptor," Dr. Hibbs said. "The implications are far-reaching for understanding mechanisms of drug binding and designing new drugs for diverse neurological conditions."
This article has been republished from materials provided by UT Southwestern. Note: material may have been edited for length and content. For further information, please contact the cited source.
https://www.technologynetworks.com/tn/news...e-solved-305520
Oggi, i ricercatori del Southwestern hanno pubblicato la prima struttura atomica di un recettore del cervello legato a un farmaco usato per invertire l'anestesia e per trattare le overdosi sedative.
"Questo studio rivela le prime informazioni strutturali ad alta risoluzione per i più abbondanti e importanti recettori del neurotrasmettitore nel cervello", ha detto il dott. Ryan Hibbs, corrispondente autore dello studio pubblicato su Nature e Assistant Professor di Neuroscienze e Biofisica con il Peter O'Donnell Jr. Brain Institute di UT Southwestern. "Siamo estremamente entusiasti al riguardo."
Molti farmaci, sia legali che illegali, lavorano sul recettore GABAA, in particolare le benzodiazepine, che sono utilizzate per l'anestesia durante l'intervento chirurgico e sono state prescritte per trattare l'epilessia, l'ansia e l'insonnia, ha detto, aggiungendo che risolvere la struttura del un recettore potrebbe un giorno portare a trattamenti migliori per quelle condizioni
Per funzionare correttamente, il cervello ha bisogno di un equilibrio di segnali stimolanti e calmanti, ha detto il Dr. Hibbs. Disfunzione del GABAA (acido γ-aminobutirrico), il recettore GABAA si lega al GABA Tutti questi farmaci agiscono sul cervello, come l'epilessia, aggiunte di eccitazione eccessiva nel cervello, come l'epilessia.In aggiunta alla classe delle benzodiazepine di sedativi, il recettore GABAA è un bersaglio comune per barbiturici, anestetici e alcolici, ha aggiunto. il cervello aumentando l'attività del recettore GABAA, che a sua volta smorza ulteriormente, o calma, l'attività cerebrale.
"Questo recettore è una miniera d'oro farmacologica." Questi farmaci si legano e come si esercitano a livello strutturale, costringendo gli scienziati a basare la loro comprensione di questo recettore sulla modellazione computazionale, "ha affermato il dott. Hibbs.
Il recettore GABAA è notoriamente resistente alla cristallografia a raggi X. Richiede la cristallizzazione delle proteine, che può essere determinata sulla base di modelli di diffrazione a raggi X, ha spiegato il Dr. Hibbs, un Effie Marie Cain Scholar nella ricerca medica.
Il dott. Shaotong Zhu, autore principale di questo studio e ricercatore postdottorato in Neuroscienze, ha perseguito la struttura mediante cristallografia e ottenuto cristalli che diffrangono molto raramente i raggi X. In parallelo, ha lavorato per ottenere la struttura mediante microscopia crioelettronica (crio -EM), che alla fine ha avuto successo.I risultati forniscono le prime strutture atomiche 3D del recettore legate al suo neurotrasmettitore GABA e al flumazenil della droga, che viene utilizzato per invertire l'anestesia e per trattare le overdosi di benzodiazepine.
I ricercatori hanno ottenuto le strutture ad alta risoluzione utilizzando la struttura cryo-EM da 22,5 milioni di dollari dell'università, dove i campioni sono rapidamente congelati per prevenire la formazione di cristalli di ghiaccio dannosi e quindi a circa 300 gradi Fahrenheit (temperature criogeniche). gira ventiquattro ore su ventiquattro: è una delle migliori strutture al mondo per la biologia strutturale criomodulata.
I ricercatori hanno escogitato metodi per esprimere e il recettore GABAA della porpora umana da cellule in fiaschi ed esperimenti elettrofisiologici usati, in combinazione con le informazioni strutturali di crio-EM, per testare gli effetti sul recettore sul neurotrasmettitore GABA, una benzodiazepina (diazepam) e flumazenil.
"Siamo in grado di definire come legarlo in modo che i farmaci come le benzodiazepine e il flumazenil - l'agente che compete con i farmaci nello stesso sito di legame per invertire i loro effetti - agiscano specificamente su questo recettore," Dr. Hibbs ha detto: "Le implicazioni sono di vasta portata per comprendere i meccanismi di legame ai farmaci e progettare nuovi farmaci per diverse condizioni neurologiche".
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