От оргазма до бессмертия. Записки драг-дизайнера

Концепция не сдается

Пептидные биорегуляторы: энкефалин, ангиотензин, соматостатин, нейротензин — связываются почти исключительно с рецепторами, сопряженными с G-белками. За последние полвека были синтезированы сотни, если не тысячи аналогов этих пептидов, активных и неактивных.

Для десятков из них конформационные расчеты предложили вероятные пространственные структуры и предсказали их биологически активные конформации — те, по которым рецептор узнает свой специфический пептидный лиганд. Внутримолекулярная циклизация закрепила эти конформации, и во многих случаях циклические аналоги оказались способными взаимодействовать с рецепторами. Затем появилась возможность работать с рецепторами на молекулярном уровне — определять их трехмерное строение. Следующим естественным этапом должно было бы стать экспериментальное изучение комплексов «пептидный лиганд-рецептор» — но здесь процесс застопорился.

Прежде всего кристаллизовать рецептор в комплексе с природным пептидом оказалось чрезвычайно сложно. До сих пор удавались лишь единичные попытки: была определена, например, структура комплекса нейротензина (или его активного шестичленного фрагмента) вместе с его рецептором. Две группы исследователей, независимо получивших этот результат, пришли к разноречивым выводам относительно строения трансмембранного сегмента рецептора. По одним данным, спирали в пучке располагались в соответствии с «активной» моделью β2AR со сдвигом внутренних концов спиралей ТМ6 и ТМ5, а по другим — были ближе к «неактивной» модели. И положение молекулы нейротензина в комплексах было различным: пептидная цепочка лиганда в одном случае располагалась параллельно плоскости мембраны с внешней стороны рецептора, а в другом — внедрялась в «щель» между спиралями перпендикулярно плоскости мембраны. В обоих случаях, однако, пептид обладал вытянутой конформацией, а не компактной, как предполагалось проведенными ранее конформационными расчетами.

Вычислительные методы тоже внесли вклад в изучение комплексов пептидов и рецепторов. Еще в 2001 году мы, в частности, провели докинг биологически активной конформации ангиотензина и трехмерной модели рецептора ангиотензина. Оказалось, что концевой четырехчленный фрагмент ангиотензина в этой конформации может внедриться в «щель» между спиралями, перпендикулярную плоскости мембраны. Очень похожая ситуация обнаружилась в расчетах наших коллег из Кливленда, опубликованных в 2019 году. Правда, ориентации молекулы ангиотензина в этих двух работах отличались. И обе они отличались от положения ангиотензина в комплексе с рецептором, установленного, наконец, средствами рентгеноструктурного анализа в июле 2018 года. Во всех случаях, однако, конформация ангиотензина была вытянутой.

Но ведь предсказанная расчетом биологически активная конформация ангиотензина была не вытянутой, а компактной. Она позволила предсказать активные циклические аналоги ангиотензина, которые никак не смогли бы взаимодействовать с рецептором таким же образом, как природный линейный пептид, — влезть в тесную «щель» можно, только разорвав цикл. При этом циклоаналоги связываются с рецептором не менее прочно, чем сам ангиотензин...

Это же соображение справедливо и для других пептидных биорегуляторов — их биологически активные конформации, предлагаемые расчетом, тоже не вытянутые, а компактные, квазициклические. Они тоже не поместятся в «щели» между спиралями трансмембранных сегментов. Каков же тогда механизм образования комплексов пептидов и рецепторов и какова роль биологически активных конформаций пептидов в этом процессе?

Короткий ответ на этот вопрос: пока не знаем. Молекулярная биофизика еще не накопила достаточного количества данных, как экспериментальных, так и расчетных, чтобы решить эту проблему однозначно. Но порассуждать о вариантах ее решения можно уже сейчас — не забывая, однако, что здесь мы вступаем на зыбкую почву спекуляций. Впрочем, в науке они называются более благозвучным словом — гипотезы.

Можно, например, предположить, что сама концепция биологически активных конформаций, выдвинутая на основе конформационных расчетов пептидов, попросту неверна — мало ли ошибочных догадок высказывали теоретики. Возможно, приближаясь к рецептору, гибкая цепочка пептида (или ее концевой фрагмент) распрямляется и уже в таком виде образует комплекс с трансмембранным сегментом. А активные циклические аналоги, в которых биологически активная конформация зафиксирована, подвергаются атакам ферментов, разрывающих цикл на подходе к рецептору.

Сразу же, однако, возникают возражения. Во-первых, эти гипотетические ферменты пока не обнаружены. А во-вторых, тогда не понятно, как объяснить результаты прямого эксперимента, в котором внутримолекулярная циклизация — помните? — заставила пептид переключиться на взаимодействие с опиоидными рецепторами, но не с рецепторами холецистокинина. И как быть с множеством косвенных экспериментов — биологических испытаний аналогов пептидов, — подтверждающих существование биологической активности именно у определенной конформации молекулы?

И еще: если спиральные трансмембранные сегменты (их пространственная организация примерно одинакова в разных рецепторах) отбирают вытянутые конформации гибких пептидов (тоже примерно одинаковые), а не их уникальные более сложные биологически активные структуры, в чем тогда молекулярные основы специфичности взаимодействия пептидов и рецепторов? Как пептид энкефалин узнает, например, что предназначенный ему партнер — рецептор опиоидов, а не холецистокинина?

Одним словом, отказываться от идеи биологически активной конформации рановато. Особенно тем, кто, как автор этой книги, был среди первых, ее предложивших и обосновавших. Но зарекаться тем не менее не стоит: в науке любое утверждение не вечно. Судьба всех гипотез одинакова: зародившись как интуитивные соображения, они обрастают подтверждающими их фактами и превращаются в теории, пригодность которых проверяется достоверностью их предсказаний. Но рано или поздно появляются факты, необъяснимые в рамках данной теории; тогда приходит время ее отбросить и предложить новую, иногда совершенно противоположную предыдущей. Для логики развития науки это естественный процесс; однако для психологии и эмоций его непосредственных участников он бывает очень болезненным.

В середине двадцатых годов прошлого века выдающийся русский химик Николай Дмитриевич Зелинский выделил из белков так называемые дикетопиперазины, соединения, по химическому составу эквивалентные аминокислотам; он предположил, что пептиды состоят из последовательностей дикетопиперазинов. И хотя задолго до этого Эмиль Фишер установил, что пептиды построены из аминокислот, еще в шестидесятых годах на химическом факультете Московского государственного университета искали доводы в пользу дикетопиперазиновой теории, от которой давно следовало отказаться. Но вненаучные соображения — уязвленное самолюбие, желание отстоять приоритет отечественных исследователей, почтение к авторитету основоположника — не позволяли признать ошибку Наверное, какую-то роль играло и желание оставаться верными однажды усвоенной догме, созвучное идеологическим стандартам ушедшей эпохи. Да и сейчас вряд ли кому-нибудь захочется прослыть беспринципным, меняющим свое мнение с каждым новым фактом, пусть даже и твердо установленным — а ведь именно так и развивается наука.

Что же касается обсуждаемых противоречий, с которыми столкнулась гипотеза о роли биологически активной конформации пептидов, то их, как мне кажется, можно устранить. В рецепторах, сопряженных с G-белками, есть не только трансмембранные сегменты, но и петли, соединяющие спирали с внешней стороны мембраны. В отличие от схожих между собой пучков спиралей, пространственные структуры этих петель различны в разных рецепторах. Так свидетельствуют данные рентгеноструктурного анализа — но есть один нюанс. Петли — цепочки величиной от пяти-шести до двадцати-тридцати аминокислот — представляют собой, по существу, те же гибкие пептиды, пусть и с закрепленными с двух сторон концами. Эти пептиды обладают целым спектром возможных конформаций, переходящих друг в друга. Кристаллизация «вымораживает» какую-то одну из этих конформаций, и то не всегда — зачастую четкую картину отражений рентгеновских лучей от петель так и не удается получить. Поэтому нельзя утверждать, что именно эта единственная «замороженная» конформация петель и есть самая характерная для данного рецептора — есть и другие. Но обнаружить их экспериментально так же трудно, как и отдельные — не усредненные — структуры гибкого пептида в растворе.

Зато можно выявить возможные структуры этих петель счетными методами — так же, как это делалось ранее с другими пептидами, концы которых не были закреплены. И здесь обнаружилось любопытное обстоятельство: активация рецепторов действительно может зависеть от конформаций их внешних петель. А это дает основания предположить, что биологически активная уникальная конформация пептида на первом этапе узнается не трансмембранным сегментом рецептора, а его внешними петлями, структуры которых также уникальны для каждого рецептора. И не пептид «подстраивается» под структуру рецептора, а гибкие петли подстраиваются под пептид, чем и объясняется специфичность взаимодействия. Это объясняет также особые трудности получения рентгеноструктурных данных о комплексах природных пептидов и их рецепторов: вполне возможно, что кристаллизуется не та единственная конформация петель, в которой они взаимодействуют с пептидом, а одна из других, тоже допустимых.

Самые свежие результаты рентгеноструктурного и криомикроскопического анализа не то чтобы подтверждают такое предположение, но и не противоречат ему. За последние два года описаны пространственные структуры комплексов семиспиральных рецепторов с эндотелином-1 (двадцать одна аминокислота в цепочке) и глюкагоном (двадцать девять аминокислот). Оба пептида представлены в комплексах не в вытянутых конформациях: концы эндотелина сближены, а глюкагон свернут в конформацию альфа-спирали. И оба взаимодействуют не столько со «щелью» между спиралями, сколько с длинными внешними петлями и начальными фрагментами рецепторов; у рецептора глюкагона, например, начальный участок, выдающийся из толщи мембраны, состоит из более чем ста аминокислот.

Не стоит, однако, опережать события. Структурная биология рецепторов развивается быстро, и изложенный сценарий молекулярного механизма взаимодействия с пептидными лигандами может быть подтвержден или опровергнут очень скоро. И очередная волна конструирования лекарств будет использовать сведения об их взаимодействии с семиспиральными рецепторами, недоступные в наши дни. И не только лекарств.

Рассказ Роальда Даля о свойствах запахов, упомянутый ранее, остался не слишком известным. Зато роман немецкого прозаика и драматурга Патрика Зюскинда «Парфюмер. История одного убийцы», впервые опубликованный в середине восьмидесятых годов, был переведен на сорок семь языков и издан общим тиражом более двенадцати миллионов экземпляров. Фильм по роману, снятый в 2006 году, заработал около ста тридцати пяти миллионов долларов при бюджете в шестьдесят миллионов. В 2008 году состоялась постановка российской рок-оперы «Парфюмер» по мотивам романа, а в 2018 году на телеэкранах появился сериал «Парфюм», отдаленно с ним связанный. Повесть об убийце восемнадцатого века, который овладел искусством создания запахов и научился с их помощью манипулировать людьми, продолжает поражать воображение читателей и зрителей всего мира. Особенно впечатляет эпизод, в котором горожане на площади, яростно требующие казни преступника, в один миг превращаются в его обожателей под действием источаемого им нового аромата. При этом они испытывают мистическое чувство сошедшей на них благодати.