Naukowcy ze St. Jude Children’s Research Hospital wykorzystali kriomikroskopię elektronową do wygenerowania dziesięciu struktur URAT1, białka związanego z dną moczanową. Dna moczanowa to rodzaj zapalenia stawów wywołany nadmiernym poziomem moczanu, produktem ubocznym metabolizmu puryn. URAT1 to transporter, który reguluje poziom moczanu, kontrolując jego wchłanianie zwrotne w nerkach. Pomimo bycia celem leków stosowanych w leczeniu dny moczanowej, niewiele wiadomo było o tym, jak działa URAT1 lub jak mutacje lub leki wpływają na jego aktywność. Nowe struktury URAT1, w połączeniu z substratami i inhibitorami, rzucają światło na mechanizm, za pomocą którego URAT1 transportuje moczan i oferują wgląd w przyszłe wysiłki w zakresie odkrywania leków. Odkrycia zostały opublikowane dzisiaj w Badania nad komórkami.
Równowaga produkcji i usuwania metabolitów to precyzyjnie regulowany proces, który jest głównie organizowany przez nerki. Przechylanie równowagi w którąkolwiek stronę, w kierunku zwiększonego lub zmniejszonego usuwania metabolitów, ma implikacje, które można odczuć w całym ciele. Moczan (kwas moczowy) jest produktem ubocznym metabolizmu puryn, który wytwarza związki niezbędne do syntezy DNA i RNA. Gdy moczan się gromadzi, może tworzyć kryształy, które gromadzą się w stawach i powodują dnę moczanową. URAT1 działa jak odźwierny w zatłoczonym klubie, promując ponowne wejście moczanu poprzez usuwanie jonów chlorkowych z komórek nerkowych.
Bardziej holistyczne spojrzenie na transport moczanu
Pomimo istotnego związku z chorobami takimi jak dna moczanowa i jego fundamentalnej roli w homeostazie metabolicznej, niewiele wiadomo było o tym, jak działa URAT1. Istnieją pewne terapie na dnę moczanową, ale podobnie niewiele wiadomo o tym, jak one działają. Chia-Hsueh Lee, doktor, Katedra Biologii Strukturalnej, starał się wypełnić tę lukę w wiedzy. „Byliśmy zainteresowani, czy możemy zbadać mechanizm strukturalny tego transportera, mając ostateczny cel opracowania lepszych leków na dnę moczanową” — powiedział Lee.
URAT1 należy do rodziny transporterów SLC22 i chociaż niektóre struktury są dostępne dla innych członków rodziny, wszystkie pokazują białko otwarte w kierunku wnętrza komórki (stan skierowany do wewnątrz). „Jeśli chcesz poznać mechanizm działania konkretnego transportera, im więcej konformacji masz, tym lepiej” — powiedział pierwszy autor Yaxin Dai, PhD, Department of Structural Biology. „W naszym przypadku uchwyciliśmy trzy różne potwierdzenia: skierowane do wewnątrz, skierowane na zewnątrz, a także trzecie, znane jako stan okludowany, co oznacza, że dostęp zarówno do wnętrza, jak i na zewnątrz komórki jest zablokowany”.
Odkryli, że URAT1 działa zupełnie inaczej niż inni członkowie rodziny SLC22. „Sekwencja aminokwasów URAT1 pokazuje, że ewoluowała, aby wykorzystywać różne substraty, ale bez struktury trudno było stwierdzić, które aminokwasy są naprawdę ważne” — powiedział Lee. „Dzięki tym strukturom wiemy teraz dokładnie, które konkretne aminokwasy oddziałują z substratem, spośród tych, które różnią się od innych transporterów SLC22”.
Struktury racjonalizują mechanizmy działania leków i chorób
Naukowcy kontynuowali to badanie mechanistyczne, uzyskując struktury URAT1 w obecności trzech leków na dnę moczanową: lesinuradu, verinuradu i dotinuradu. „Możemy bardzo wyraźnie zobaczyć inhibitory, a we wszystkich trzech strukturach URAT1 znajduje się w stanie skierowanym do wewnątrz. Ta przejrzystość wskazuje, że inhibitory są bardzo skuteczne w utrzymywaniu białka w tej konformacji” — powiedział Dai. „Na podstawie tych obserwacji wnioskujemy, że leki działają poprzez blokowanie URAT1 w stanie skierowanym do wewnątrz”.
Oprócz wglądu w mechanizm transportu białka i pokazania, jak działają leki na dnę moczanową, struktury te pozwoliły również badaczom rozpocząć badanie podstaw mutacji URAT1 powiązanych z hipourykemią i innymi chorobami nerek. „Bez informacji strukturalnych trudno jest zrozumieć, w jaki sposób konkretne mutacje wpływają na funkcję transportera. Teraz możemy zmapować te wariacje genetyczne na strukturę i wyjaśnić ich skutki” — powiedział Lee. „To duży krok naprzód w zrozumieniu chorób powiązanych z URAT1”.
Badanie zostało dofinansowane przez dotacje z Narodowych Instytutów Zdrowia (R01GM143282 i R01NS133147) oraz ALSAC, organizacji zajmującej się zbieraniem funduszy i podnoszeniem świadomości St. Jude.
