Een pijplijn om de structuren en signaalroutes van sfingosine-1-fosfaatreceptoren te onderzoeken

Sfingosine-1-fosfaat (S1P), een metabolisch product van sfingolipiden in het celmembraan, is een alomtegenwoordig lysofosfatidisch signaalmolecuul dat verschillende biologische activiteiten omvat, waaronder lymfocytenhandel, vasculaire ontwikkeling, endotheelintegriteit en hartslag ^1,2,3. S1P oefent zijn diverse fysiologische effecten uit via vijf S1P-receptorsubtypen (S1PR’s 1-5); S1PR’s worden aangetroffen in een verscheidenheid aan weefsels en vertonen unieke voorkeuren voor downstream G-eiwitten ^4,5. S1PR1 is voornamelijk gekoppeld aan het Gi-eiwit, dat vervolgens de cAMP-productie remt; S1PR2 en S1PR3 zijn gekoppeld aan Gi, Gq en G12/13, en S1PR4 en S1PR5 transduce signaal via Gi en G12/13⁶.

S1P-S1PR-signalering is een cruciaal therapeutisch doelwit voor meerdere ziekten, waaronder auto-immuunziekten⁷, ontsteking⁸, kanker⁹ en zelfs COVID-19¹⁰. In 2010 werd fingolimod (FTY720) gelicentieerd als een eersteklas medicijn gericht op S1PR’s voor de behandeling van recidief multiple sclerose (MS)¹¹. Het is echter in staat om zich te binden aan alle S1PRRs behalve S1PR2, terwijl niet-specifieke binding aan S1PR3 resulteert in oedeem van de hersenschors, vasculaire en bronchiale vernauwing en longepitheellekkage¹². Als alternatieve strategie voor het verhogen van de therapeutische selectiviteit zijn subtype-specifieke liganden voor de receptor geproduceerd. Siponimod (BAF312) werd in 2019 goedgekeurd voor de recidief MS behandeling¹³; het richt zich effectief op S1PR1 en S1PR5, terwijl het geen affiniteit heeft met S1PR3 en minder bijwerkingen vertoont in de klinische praktijk¹⁴. In 2020 heeft de Amerikaanse Food and Drug Administration ozanimod goedgekeurd voor MS-therapie¹⁵. Er is gemeld dat ozanimod een 25-voudig grotere selectiviteit heeft voor S1PR1 dan voor S1PR5¹⁶. Met name in de context van de huidige COVID-19-pandemie is ontdekt dat agonisten die gericht zijn op S1PR’s kunnen worden gebruikt om COVID-19 te behandelen met behulp van immunomodulerende therapietechnieken¹⁷. In vergelijking met fingolimod heeft de ozanimod superioriteit getoond in het verlagen van de symptomen bij COVID-19-patiënten en ondergaat nu klinische onderzoeken¹⁰. Inzicht in de structurele basis en functie van S1PR’s legt een belangrijke basis voor het ontwikkelen van een medicijn dat zich selectief richt op S1PR’s¹⁸.

Veel technieken worden gebruikt om de structurele informatie van biomacromolecules te onderzoeken, waaronder röntgenkristallografie, nucleaire magnetische resonantie (NMR) en elektronenmicroscopie (EM). Vanaf maart 2022 zijn er meer dan 180.000 structuren gedeponeerd op de Protein Databank (PDB), en de meeste daarvan zijn opgelost door röntgenkristallografie. Echter, met de eerste bijna-atomaire resolutiestructuur van TPRV1 (3,4 Å-resolutie) gerapporteerd door Yifan Cheng en David Julius in 2013¹⁹, is cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) een mainstream techniek geworden voor eiwitstructuren, en het totale aantal EM PDB-structuren was meer dan 10.000. De kritieke doorbraakgebieden zijn de ontwikkeling van nieuwe camera’s voor beeldvorming die bekend staan als directe elektronendetectiecamera’s en nieuwe beeldverwerkingsalgoritmen. Cryo-EM heeft in het afgelopen decennium een revolutie teweeggebracht in de structuurbiologie en op structuur gebaseerde geneesmiddelenontdekking²⁰. Omdat het begrijpen hoe macromoleculaire complexen hun gecompliceerde rollen in de levende cel vervullen een centraal thema is in de biologische wetenschappen, heeft cryo-EM het potentieel om conformaties van dynamische moleculaire complexen te onthullen, met name voor transmembraaneiwitten²¹. G-eiwit gekoppelde receptoren (GPCR’s) zijn de grootste superfamilie van transmembraaneiwitten en de doelen van meer dan 30% van de momenteel op de markt gebrachte geneesmiddelen²². De ontwikkeling van cryo-EM heeft bijgedragen aan een uitbarsting van hoge-resolutie structuren van GPCR-G eiwitcomplexen, waardoor structurele bepaling mogelijk is voor ‘hardnekkige’ doelen die nog steeds niet toegankelijk zijn voor röntgenkristallografische analyse in medicijnontwerp²³. Daarom biedt de cryo-EM-toepassing een kans om de driedimensionale structuur van GPCR’s te bepalen in bijna-inheemse omstandigheden bij bijna atomaire resolutie²⁴. Vooruitgang in cryo-EM maakt het mogelijk om mechanistische onderbouwing van GPCR-stimulatie of -remming te visualiseren, en verder voordeel bij het ontdekken van de nieuwe bindingsplaatsen voor GPCR-gerichte medicijncreatie²⁵.

Vertrouwend op de enorme vooruitgang van cryo-EM-technologie, hebben we structuren van gekwelde S1PR1-, S1PR3- en S1PR5-Gi-signaleringscomplexen geïdentificeerd die onlangs^{26,27 zijn.} Bij mensen worden S1PR’s gevonden in verschillende weefsels en vertonen ze unieke voorkeuren voor downstream G-eiwitten ^4,5. S1PR1 wordt voornamelijk gekoppeld aan het Gi-eiwit, dat vervolgens de productie van 3′,5′-cyclisch adenosinemonofosfaat (cAMP) remt. S1PR3 en S1PR5 kunnen ook worden gekoppeld aan Gi ^6,28. Omdat Gi-gekoppelde receptoractivering de productie van cAMP²⁹ vermindert, werd een Gi-inhibitie cAMP-test geïntroduceerd om cAMP-remmingseffecten te meten voor het vastleggen van functionele veranderingen^26,27. Met behulp van een gemuteerde versie van Photinus pyralis luciferase waarin een cAMP-bindende eiwitgroep is ingebracht, biedt deze cAMP-test een eenvoudige en betrouwbare methode voor het monitoren van GPCR-activiteit door veranderingen in intracellulaire cAMP-concentratie³⁰. Het is een gevoelige en niet-radioactieve functionele test en kan worden toegepast om de real-time downstream signalering van een breed scala aan GPCR’s te monitoren voor het ontdekken van geneesmiddelen³¹.

Hier wordt een samenvatting gegeven van de kritieke methoden voor het oplossen van de activerings- en medicijnherkenningsmodi van S1PR’s, voornamelijk inclusief cryo-EM-manipulaties en een Gi-inhibition cAMP-test. Dit artikel is bedoeld als uitgebreide experimentele leidraad voor verdere verkenningen van de structuren en functies van GPCR’s.