Ajankohtaista

Väitös: 27.11. Uusi laskennallinen lähestymistapa lääkeaineiden vaikutusten ennakoimiseen (Postila)

Alkamisaika: lauantai 27. marraskuuta 2010, 12.00

Päättymisaika: lauantai 27. marraskuuta 2010, 15.00

Paikka: Ylistönrinne, Ambiotica, sali YAA303

Julkaisuportaali - verkkokauppaan, väitöksen pdf-versio

 

Pekka PostilaFM Pekka Postilan solu- ja molekyylibiologian väitöskirjan ”Dynamics of the Ligand-Binding Domains of Ionotropic Glutamate Receptors” (Ionotrooppisten glutamaattireseptoreiden ligandinsitomisdomeenien dynamiikka) tarkastustilaisuus. Vastaväittäjänä dosentti Mikael Peräkylä (Itä-Suomen yliopisto) ja kustoksena dosentti Olli Pentikäinen (Jyväskylän yliopisto).

Valtaosa ihmisen keskushermoston signaalinvälityksestä tapahtuu ionotrooppisten glutamaattireseptoreiden (iGluR:t) välityksellä hermosolujen kemiallisissa yhdyskohdissa eli synapseissa. Reseptorit muodostavat ionikanavia, joiden avautumista säätelee hermovälittäjäaine glutamaatin sitoutuminen reseptorin ligandinsitomisdomeeniin (LBD). Täyden agonistin, kuten glutamaatin, sitoutuessa kaksiosainen iGluR-LBD vääntyy kiinni ja solukalvolla oleva ionikanava avautuu. Tästä voi seurata hermoimpulssin synty, jos riittävä määrä ionikanavia aukeaa yhtä aikaa. Antagonisti puolestaan estää ionikanavan avautumista ja hermoimpulssin syntyä estämällä iGluR-LBD:n sulkeutumisen. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että iGluR-LBD:n sulkeutumisaste on verrannollinen ionikanavan avautumisen määrään. Koska glutamaattireseptorit vaikuttavat lukuisiin hermostosairauksiin kuten epilepsiaan ja Parkinsonin tautiin, kyseinen proteiiniperhe on tärkeä lääketutkimuksen kohde.

Uusi lähestymistapa voi vähentää lääkekehityksen kustannuksia

Pekka Postila on kehittänyt väitöskirjatyössään uuden laskennallisen lähestymistavan ennustaa iGluR:ien kautta vaikuttavien lääkeaineiden farmakologisia vaikutuksia. Menetelmä mahdollistaa potentiaalisten lääkeaineiden ominaisuuksien ennustamisen jo ennen pienmolekyylien eli ligandien orgaanista synteesiä tai kokeellista testaamista. Väitöskirjassa esitelty laskennallinen lähestymistapa voi osaltaan vähentää lääkekehityksen kustannuksia ja ympäristövaikutuksia tulevaisuudessa.

Väitöstutkimuksessa ennustettiin uusien dysiherbaiini-nimiseen hermomyrkkyyn pohjautuvien yhdisteiden farmakologisia ominaisuuksia iGluR:ien kanssa. Menetelmässä ligandit laitetaan sulkeutuneen iGluR-LBD:n kolmiulotteisen rakenteen sisälle ja syntyneitä ligandi-reseptoriyhdistelmiä simuloidaan virtuaalisissa vesilaatikoissa molekyylidynamiikalla (MD). iGluR-LBD:t joko avautuivat täysin (antagonisti), välikokoisesti (partiaalinen agonisti) tai pysyivät kiinni (täysi agonisti) sitoutuneen ligandin ominaisuuksien mukaan MD-simulaatioissa. Tulokset osoittivat, että pienetkin muutokset dysiherbaiinin perusrakenteeseen saattoivat aiheuttaa voimakkaita eroja ligandien sitoutumisvoimakkuuksissa ja reseptorien aktivaatiossa. Lisäksi MD-simulaatioiden avulla havaittiin, että partiaalisten agonistien sitoutuminen ei aina välttämättä tuota välikokoista iGluR-LBD:n sulkeutumista. Sen sijaan osittainen reseptorin aktivaatio voi aiheutua iGluR-LBD:n sulkeutumisen epävakaudesta partiaalisten agonistien kanssa.

Pekka Postila osoitti väitöstutkimuksessaan, että röntgenkristallografialla määritetyt iGluR-LBD:iden sulkeutumisasteet voidaan tuottaa uudelleen laskennallisesti. Lisäksi ennustettuja iGluR-LBD:iden sulkeutumisasteita ja ligandi-reseptorivuorovaikutuksia varmennettiin kokeellisesti mm. röntgenkristallografian ja pistemutaatioiden avulla. Tulokset osoittivat, että väitöstyötä varten kehitetty tietokonepohjainen mallitusprotokolla täydentää hyvin yleisesti käytettyjä kokeellisia menetelmiä iGluR-lääkekehityksessä.

Väitöstutkimus suoritettiin ISB-tutkijakoulun (The National Doctoral Programme in Informational and Structural Biology) rahoituksella ja hyödyntäen CSC – Tieteen tietotekniikan keskuksen laskennallisia resursseja.


Lisätietoja:
Pekka Postila, puh. 041-4356455, pekka.a.postila@jyu.fi
Tiedottaja Liisa Harjula, puh. (014) 260 1043, tiedotus@jyu.fi, josta saa väittelijän kuvan sähköisessä muodossa.

Pekka Postila kirjoitti ylioppilaaksi vuonna 1999 Lyseonpuiston lukiossa Rovaniemellä. Filosofian maisteriksi hän valmistui vuonna 2006 Jyväskylän yliopistosta. Vuodesta 2006 hän on toiminut tohtorikoulutettavana Jyväskylän yliopistossa.

Teos on julkaistu sarjassa Jyväskylä studies in biological and environmental science numerossa 214, 54 s., Jyväskylä 2010, ISSSN:1456 9701, ISBN:978 951 39 4081 2. Sitä saa Jyväskylän yliopiston kirjaston julkaisuyksiköstä, puh. (014) 260 3487, myynti@library.jyu.fi.


Abstract

Dynamics of the Ligand-Binding Domains of Ionotropic Glutamate Receptors

Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) transmit fast neuronal impulses in the synapses of mammalian brain. The binding of neurotransmitter L-glutamate closes the bilobed iGluR cleft of the extracellular ligand-binding domain (LBD). The screw axis bending of iGluR-LBD in turn opens the tetrameric transmembrane ion channel and influx of cations depolarizes the neuron. The isolated iGluR-LBD referred here as the ligand-binding core (LBC) has been crystallized in complex with various ligands.

Full agonists close the iGluR-LBC and, conversely, antagonists block both the receptor cleft closure and ion channel opening. Some partial agonists produce intermediate iGluR-LBC closure in addition to partial activation. In this thesis is demonstrated that receptor cleft closure can be recreated by inserting ligands inside the closed iGluR-LBCs and simulating the complexes with all-atom molecular dynamics (MD) with explicit solvent. During the MD simulations the iGluR cleft either opens (antagonist, partial agonist) or stays closed (full agonist). Accordingly, the closure stages and binding interactions were predicted for novel compounds (e.g. dysiherbaine analogs) without prior crystallographic data.

The MD simulations were also used to interpret experimental ligand-binding affinity and receptor subtype specificity data. Although bulky partial agonists and antagonists usually produce full-scale receptor cleft opening in MD simulations, some partial agonists only disrupt the receptor cleft hydrogen bonding. The full agonist-iGluR complex simulations suggest that the stability of cleft closure is receptor subtype-specific. Moreover, the ligand-receptor complex simulations provided a more dynamic view of the iGluR-LBD dynamics than what the crystallographic studies have implied. Because iGluRs contribute to various neuropathologies such as epilepsy and migraine, the receptor family is important target for rational drug discovery.

http://julkaisut.jyu.fi?id=978-951-39-4182-6

Tekijä

kuuluu seuraaviin kategorioihin: