104 Diligentia Signalen in het brein worden doorgegeven als elektrische stroompjes in het zenuwstelsel. Het open- en dichtzetten van ionenkanalen in het pre- en postsynaptische membraan is daar<strong>voor</strong> van essentieel belang. Een belangrijke subklasse van ionenkanalen zijn de cysloop receptoren, een klasse van eiwitten waardoor het elektrische stroompje opgewekt kan worden in antwoord op binding van een neurotransmitter. Tot deze familie horen de nicotinerge acetylcholine receptoren (nAChR), maar ook sommige GABA en de 5HT3 serotonine-receptor. Deze receptoren zijn farmacologisch zeer belangrijk, omdat ze bij<strong>voor</strong>beeld betrokken zijn bij pijn, angst en verslaving aan bijv. alcohol. De benzodiazepines, zoals bijv. valium, werken op de GABA receptor, terwijl de nAChR van belang is <strong>voor</strong> de verslaving aan nicotine en roken. Medicijnen tegen deze klasse van eiwitten hebben dan ook allerlei toepassingen: als spierverslapper bij operaties, als hulpmiddel bij de bestrijding van angst of pijn, als positieve beïnvloeding van gemoedstoestand, hulp bij sommige vormen van epilepsie en ziekte van Alzheimer en als antibraakmiddel tijdens chemotherapie. Deze klasse van ionenkanalen functioneert doordat een chemische stof, een ligand, aan het eiwit bindt en zorgt <strong>voor</strong> een conformatie-verandering, waardoor een porie in het trans-membraandeel zich opent, zodat een ionenstroompje kan lopen. De vraag hoe het ligand bindt en hoe het kanaal opent, heeft lang de aandacht getrokken. Uitgebreide mutagenese en crosslinking studies toonden wel zes ‘loops’ aan die van belang waren <strong>voor</strong> de ligandherkenning. Een kristalstructuur zou hierbij behulpzaam kunnen zijn, maar tot op heden is het niemand gelukt een hoge resolutie structuur te maken van een intacte receptor, of het vijfvoudige ligandbindende domein (Sixma and Smit, 2003). Een grote stap <strong>voor</strong>waarts kwam toen Guus Smit (Vrije Universiteit, Amsterdam) een eiwit isoleerde uit slakkenhersenen dat grote gelijkenis vertoont met het nAChR ligandbindende domein, maar dat geen transmembraan domein bezit (Smit et al., 2001). Het werd daarom acetylcholine bindend eiwit of AChBP ge<strong>no</strong>emd. Guus Smit en John van der Oost realiseerden zich dat dit eiwit zeer geschikt was <strong>voor</strong> kristallografische structuurbepaling. Het is Katjusa Brejc in mijn groep gelukt hiervan een eerste kristalstructuur te bepalen Figuur 5. Nicotine gebonden aan AChBP, model <strong>voor</strong> de nicotine receptor. Eiwitten: structuur een functie geven
Diligentia 105 (Brejc et al., 2001), gevolgd door vele structuren met liganden door anderen (Bourne et al., 2005; Celie et al., 2005a; Celie et al., 2005b; Celie et al., 2004; Hansen et al., 2005; Talley et al., <strong>2008</strong>). Deze structuur was een ware eye-opener, omdat duidelijk werd hoe de verschillende ‘loops’ inderdaad bij elkaar komen om het ligand te binden. De structuur maakte nu echter duidelijk hoe deze binding in zijn werk gaat. Structuren met nicotine en een acetylcholine homoloog maakten vervolgens in detail duidelijk waar deze nicotinerge agonisten inderdaad binden. Zoals u kunt zien, kijken we dan naar de precieze contacten van het nicotine molecuul aan het eiwit (figuur 5). Het nicotine maakt een paar korte contacten (waterstofbruggen) en het wordt ‘ingepakt’ in de eiwitomgeving. Met deze gedetailleerde kennis is het mogelijk om <strong>voor</strong>spellingen te doen <strong>voor</strong> nieuwe interacties. Om vervolgens te kunnen kijken hoe de antagonisten werken, hebben we gebruikt gemaakt van een co<strong>no</strong>toxine (Celie et al., 2005a; Dutertre et al., 2007; Ulens et al., 2006). Deze kleine peptides uit een slak hebben een opmerkelijk hoge affiniteit <strong>voor</strong> specifieke subtypes van receptoren. De structuur van het complex van co<strong>no</strong>toxine PnIA met AChBP was het eerste receptor-complex <strong>voor</strong> deze farmacologisch interessante moleculen (Celie et al., 2005a). Ondertussen blijkt dat we het eiwit ook kunnen gebruiken om nieuwe liganden te vinden. Enerzijds wordt in bindingsstudies gekeken of AChBP bindt aan een serie verschillende moleculen. Als er goede binding is, kan gekeken worden of deze nieuwe moleculen ook aan de echte nAChR receptoren binden. Op dergelijke wijze kon een nieuw co<strong>no</strong>toxine met bijzonder nicotinerge subtypenspecificiteit geïdentificeerd worden. Anderzijds kunnen we in samenwerking met de groep van Iwan de Esch op de VU computerprogramma’s gebruiken om series moleculen in de computer in de bindingsplaats van AChBP te ‘docken’. Moleculen die daar goed lijken te binden worden dan echt getest op binding aan AChBP en vervolgens op binding aan de echte nicotine receptor (Ulens et al, in press). Een deel van deze tekst is in iets bewerkte vorm eerder verschenen als oratie bij de aanvaarding van een bijzonder hoogleraarschap aan het Erasmus MC, Rotterdam. Mailadres: t.sixma@nki.nl. Referenties Bourne, Y., Talley, T.T., Hansen, S.B., Taylor, P., and Marchot, P. (2005). Crystal structure of a Cbtx-AChBP complex reveals essential interactions between snake alpha-neurotoxins and nicotinic receptors. EMBO J 24, 1512-1522. Brejc, K., van Dijk, W.J., Klaassen, R.V., Schuurmans, M., van Der Oost, J., Smit, A.B., and Sixma, T.K. (2001). Crystal structure of an ACh-binding protein reveals the ligand-binding domain of nicotinic receptors. Nature 411, 269-276. Celie, P.H., Kasheverov, I.E., Mordvintsev, D.Y., Hogg, R.C., van Nierop, P., van Elk, R., van Rossum-Fikkert, S.E., Zhmak, M.N., Bertrand, D., Tsetlin, V., et al. (2005a). Crystal structure of nicotinic acetylcholine receptor homolog AChBP in complex with an alpha-co<strong>no</strong>toxin PnIA variant. Nat Struct Mol Biol 12, 582-588. Celie, P.H., Klaassen, R.V., van Rossum-Fikkert, S.E., van Elk, R., van Nierop, P., Smit, A.B., and Sixma, T.K. (2005b). Crystal structure of acetylcholine-binding protein from Bulinus truncatus reveals the conserved structural scaffold and sites of variation in nicotinic acetylcholine receptors. J Biol Chem 280, 26457-26466. Celie, P.H., van Rossum-Fikkert, S.E., van Dijk, W.J., Brejc, K., Smit, A.B., and Sixma, T.K. (2004). Nicotine and carbamylcholine binding to nicotinic acetylcholine receptors as studied in AChBP crystal structures. Neuron 41, 907-914. Drenth, J. Principles of protein x-ray Crystallography, 3rd edition edn (Springer). Dutertre, S., Ulens, C., Buttner, R., Fish, A., van Elk, R., Kendel, Y., Hopping, G., Alewood, P.F., Schroeder, C., Nicke, A., et al. (2007). AChBP-targeted alpha-co<strong>no</strong>toxin correlates distinct binding orientations with nAChR subtype selectivity. Embo J 26, 3858-3867. Eddins, M.J., Carlile, C.M., Gomez, K.M., Pickart, C.M., and Wolberger, C. (2006). Mms2-Ubc13 covalently bound to ubiquitin reveals the structural basis of linkage-specific polyubiquitin chain formation. Nat Struct Mol Biol 13, 915-920. Eiwitten: structuur een functie geven
Change language