• Suomi
  • English

Puolet lääkeaineista vaikuttaa vain kolmeen proteiiniperheeseen

Jopa 50% hyväksytyistä lääkeaineista vaikuttaa kolmeen proteiiniperheeseen, tumareseptoreihin, G-proteiinireseptoreihin ja ionikanaviin.

 

Lääkeaineet vaikuttavat tavallisesti solujen reseptoreihin tai elimistön entsyymeihin, jotka ovat molemmat proteiineja. Monet lääkeaineet sitoutuvat myös entsyymireseptoreihin ja solukalvolla oleviin kantajaproteiineihin. Lääke voi esimerkiksi sitoutua entsyymin aktiiviseen kohtaan, jolloin se estää entsyymin säätelemän kemiallisen reaktion. Useimmiten entsyymeinä, jotka katalysoivat lääkkeen aiheuttavan kemikaalisen reaktion, ovat sytokromi P450-entsyymit.

Suurin osa lääkkeiden kohdeproteiineista kuuluu vain kymmeneen proteiiniperheeseen, jopa puolet vain kolmeen perheeseen. Tiettyyn perheeseen kuuluvilla proteiineilla on samalla tavalla laskostunut kolmiulotteinen rakenne, toiminta ja merkittävä samankaltaisuus aminohapposekvensseissä, mikä kertoo yleensä yhteisestä muinaisesta historiasta. Saman perheen proteiinit ovat peräisin yhdestä alkuperäisestä kantamuodosta, joka on evoluution myötä muokkaantunut ja erikoistunut ympäristön paineessa myös alkuperäisestä roolistaan poikkeaviin toiminnallisiin rooleihin solujen prosesseissa.

 

Tumareseptorit ja hormoniperäiset sairaudet

Vasemmalta oikealle: estrogeenireseptori, androgeenireseptori, D-vitamiinireseptori ja keltarauhashormonireseptori. Nämä proteiinit ovat rakenteeltaan ja molekyyliseltä toiminnaltaan samanlaisia, vaikka vaikuttavat elimistössä täysin erilaisiin toimintoihin. Reseptorit kuuluvat samaan tumareseptorien proteiiniperheeseen. Tämä tarkoittaa mm. sitä, että reseptoreilla on sama esihistoriallinen alkuperä. Jokaisen reseptorin kanssa vuorovaikuttava pieni molekyyli, esimerkiksi testosteroni androgeenireseptorissa näkyy rakenteen yläosassa harmaana pallo-tikku mallina. Protein Data Bankissa eli PDB-proteiinitietokannassa on yli 100 000 proteiinirakennetta, jotka jakautuvat proteiiniperheisiin. Proteiiniperheen jäsenet ovat yleensä kolmiulotteiselta rakenteeltaan samankaltaisia, ja siksi ne myös toimivat samantapaisesti.

 

Proteiiniperheet keksittiin, kun alettiin tuntea muutaman proteiinin rakenne ja aminohapposekvenssit. Silloin havaittiin että, proteiinit muodostuvat useita itsenäisiä rakenteellisesti erottuvia alueita, jolla on jokin erikoistehtävä. Näitä alettiin kutsua domeeneiksi.

Uusia proteiiniperheitä on löydetty eri sairauksien syntymekanismeja tutkittaessa. Esimerkiksi tumareseptorit löydettiin rintasyöpää tutkittaessa. Pitkään oli tiedetty, että kolmannekselta rintasyöpään sairastuneilta naisista, joilta oli poistettu munasarjat tai lisämunuaiset, kasvaimen kasvu loppui. Rintasyövän molekylaarinen perusta oli kuitenkin vielä mysteeri. Vuonna 1947 lääketieteen tutkija Elwood Jensen alkoi selvittää tätä. Jensen löysi estrogeeni-reseptorin ja havaitsi, että kun estrogeenireseptori aktivoituu, kun siihen sitoutuu sen luontainen estrogeeni, estradioli. Tämän jälkeen aktivoitunut estrogeenireseptori matkustaa solun tumaan, missä se osallistuu geenien toiminnan säätelyyn.

Tumareseptorien perheeseen kuuluva proteiinimolekyyli, estrogeenireseptori, on erittäin tärkeä ihmiselle. Jos sen toiminnassa tapahtuu muutoksia, niillä on suuri merkitys solujen terveyteen. Estrogeenireseptorilla on diagnosoitu olevan tärkeä rooli rintasyövän synnyssä. Normaalisti estrogeenit säätelevät estrogeenireseptorin aktiivisuutta solussa. Estrogeenireseptorin muuttunut muoto on koko ajan aktiivinen, eivätkä solun normaalit estrogeenipitoisuuteen perustuvat säätelymekanismit siten toimi oikein. Tämä voi johtaa syövän, eli säätelemättä kasvavien normalista poikkeavien solukkojen syntyyn.

Elwood Jensen osoitti, että rintasyöpäpotilaat, joilla oli alhainen estrogeenireseptoripitoisuus syöpäsoluissaan eivät hyötyneet munasarjojen poistosta. Munasarjat tuottavat suuren osan naisten aktiivisesta estrogeenista. Reseptoripitoisuus osoittaa, kenen kannattaa mennä leikkaukseen ja kenen kannattaa jättää se väliin. 1970-luvun puolivälissä Jensen ja hänen kollegansa Craig Jordan havaitsivat, että syöpäpotilaat, joiden kasvaimien muuttuneissa soluissa oli suuri määrä estrogeenireseptoreja ovat myös todennäköisesti niitä, jotka hyötyvät tamoksifeenista. Se on antiestrogeeni eli se kumoaa estrogeenin vaikutusta soluissa. Ne potilaat, joilla oli vähäisiä määriä reseptoreja, voitiin puolestaan heti siirtää muihin hoitoihin. Vuoteen 1980 mennessä Jensenin kehittämästä testistä, jolla mitataan reseptorien määrää rintasyöpänäytteistä, oli tullut standarditesti rintasyöpäpotilailla.

Estradioli kuuluu estrogeneenihormoonien ryhmään.
Estrogeenireseptori ja tamoksifeeni. Estrogeeni on kehon oma solujen estrogeenireseptorin toimintaa aktivoiva hormooni. Rintasyöpäsolussakin estrogeeni toimii myös aktivoivana tekijänä, mikä voi pahentaa tautia lisäämällä syöpäsolujen kasvua. Tamoksifeeni on nk. antiestrogneeni. Sitä käytetään syövän hoidossa estämään estrogeenin toimintaa. Tamofikseeni on pieni lääkeainemolekyyli, joka matkii estrogeenin muotoa ja sitoutuu tiukasti estrogeenireseptoriin. Kun se sitoutuu, se muuttaa reseptorin pinnalla olevan, signaalien välitykseen osallistuvan aminohapposilmukan muodon, joka on kuvattuna vihreänä. Alemmassa rakenteessa näkyy lääkesidos. Koska lääkemolekyyli on suurempi kuin estrogeenihormoni, se pakottaa silmukan ei-aktiiviseen muotoon ja estää siten kasvainta kasvamasta. Kuva: Protein Data Base

 

Löydöt paljastivat soluissa toimivan proteiinien superperheen, tumareseptorit, joihin estrogeenireseptori kuuluu. Tumareseptoriperheeseen kuuluvat mm. estroneegireseptorit alfa ja beta, androgeenireseptori, keltarauhashormonireseptori ja D-vitamiinireseptori. Tumareseptoreille on yhteistä, että ne aktivoituvat solukalvon läpäisevän viestimolekyylin eli ligandin, tumareseptorihormonin, sitouduttua niihin ja matkustavat tämän jälkeen tumaan vaikuttamaan solun prosesseihin. Hormonit, jotka aktivoivat tumareseptorien suurperheeseen kuuluvia jäseniä ovat mm. testosteroni, estradioli, progesteroni eli keltarauhshormoni, glukokortikoidit, mineralokortikoidit ja D-vitamiini ja lääkeainesuunnittelun avulla luodut luonnollisten ligandien rakennetta matkivat molekyylit. Esimerkiksi Norjan vuoden 2016 hiihtomaajoukkueen Therese Johaugin huulivoiteessa saattoi olla klostebolia, joka on androgeenireseptorin ligandi. Klosteboli toimii anabolisena eli lihassolujen proteiinien kasvua edistävänä tekijänä.

Ihmisen elimistöön lääkeiden tai muun reitin kautta tulevat pienet molekyylit voivat siten vaikuttaaa tumareseptoreihin niitä aktivoimalla tai sammuttamalla, ja siten vaikuttavat solun geenien toimintaan. Tumareseptorien löytäminen on muuttanut vallankumouksellisesti biokemiallisen endokrinologian tutkimuksen. Endokrinologia on erikoisala, joka tutkii ja hoitaa hormoneja tuottavien elinten sairauksia. Sairaudet voivat johtua hormonien liikatuotannosta tai niiden puutteesta, lisäksi hormoneja tuottavissa kudoksissa voi ilmetä sekä hyvän- että pahanlaatuisia kasvaimia. Ennen tumareseptoreiden keksimistä ihmiskehon hormoonien toiminta oli täysi mysteeri, nyt toimintaa osataan jo hieman muokata.

 

G-proteiinit ja solujen signaalinvälitys

 

Jotta organismi voisi toimia, signaalien pitää välittyä kehon soluissa ja niistä muodostuneissä elimissä. Elimistö kokonaisuutena lähettää ja vastaanottaa signaaleita sähkövirtojen ja tiettyjen molekyylien avulla. Martin Rodbell ja Alfred Gilman selvittivät , miten signaalinvälitys tapahtuu solukalvon läpi molekyylien yhteistoiminnan kautta. Vuonna 1970 Martin Rodbell osoitti, että signaalinsiirto tapahtuu kolmessa vaiheessa: signaalin vastaanotto, siirto ja vahvistus. Siirto tapahtuu siten, että solun pinnan proteiinista välitetään käsky vaihtaa solukalvon toisella puolella sijaitsevaan proteiiniin sitoutunut guanisiinidifosfaatti (GDP) guanosiinitrifosfaattiin (GTP). Tämä ilmiö on tiedonsiirtoa molekyylitasolla.

Vuonna 1980 Alfred Gilman tutki leukemiasoluja ja havaitsi, että ne eivät vastanneet hormonien välittämään ulkoiseen signaaliin. Syynä oli reseptoriproteiinin mutaatio, joka aiheutti sen, että hormonien signaalinvälitys estyi. Gilman eristi proteiinin normaaleista soluista ja näillä proteiineilla hän pystyi korjaamaan vaurioituneen solun. Molekyylit, jotka ovat mukana signaalinvälityksessä ovat suuri perhe proteiineja, jotka sitoutuvat guanosiinitrifosfaattiin. Kun ne ovat sidoksissa GTP:hen, ne ovat ”päällä” ja kun ne ovat sidoksissa GDO:hen, ne ovat ”pois päältä.” Gilman kutsui niitä G-proteiineiksi (guanine nucleotide-binding proteins).

G-proteiinit ovat kenties tärkeimpiä signaalinvälitykseen osallistuvia molekyylejä. Ne liittyvät joidenkin syöpämuotojen lisäksi diabetekseen, alkoholismiin sekä monien muiden sairauksien molekyylaarisiin syntymekanismeihin.

Solukalvossa olevien G-proteiineihin kytkeytyneiden reseptorien proteiiniperhe kuljettaa signaalit solun G-proteiineille solukalvon sisäpuolella. G-proteiinit puolestaan ottavat vasteen vaihtamalla GDP:n GTP:ksi. Seuraus tästä aktivoitumisesta on esimerkiksi solun sisäpuolella solulimassa pilkkomistyöhön vapautuva entsyymi, solukalvossa sijaitsevan ionikanavan avautuminen tai sulkeutuminen.

Tällä mekanismilla toimii esimerkiksi silmässä rodopsiini, joka on avulla havaitsemme silmillämme valon eli näemme. Kolmasosa tunnetuista lääkeaineista vaikuttaa G-proteiineihin kytkeytyneisiin reseptoreihin. Katekoliamiinit (mm. adrenaliini, noradrenaliini ja dopamiini), peptidit, glykoproteiinihormonit sekä rodopsiini ovat esimerkkejä ligandeista, jotka sitoutuvat näihin reseptoreihin. Alfred Gilman ja Martin Rodbell saivat 1994 Nobelin lääketieteen palkinnon G-proteiinien keksimisestä. Kemian Nobel myönnettiin vuonna 2012 Robert Lefkowitzille and Brian Kobilkalle G-proteiineihin kytkeytyneiden proteiinien toiminnan selittämisestä.

Dopamiini.

Proteiinit suorittavat työtään syklisesti ja tarkasti vaihtamalla muotoja ja molekyylejä signaalien perusteella. G-proteiinin ja G-proteiinikytkettyjen reseptorien muodot ovat jatkuvassa dynaamisesti muuttuvassa biokemiallisessa tasapainoreaktiossa keskenään. G-proteiinien herkässä tasapainossa tapahtuvat muutokset voivat aiheuttaa sairauksia. Esimerkiksi kolerabakteerin myrkky lukitsee G-proteiinit yhteen muotoon ja vaikuttaa hermoihin, jotka ohjaavat suolan ja nesteen imeytymistä suolistossa.

 

Ionikanavareseptorien aktiivisuus addiktion hoidossa

Beta-amyloidi on peptidi. Amyloidiplakkia kertyy Alzheimirin tautia sairastavan aivoihin.

Ionikanavat kuuluvat integraalisiin solukalvon proteiineihin eli proteiineihin, jotka ovat osa solukalvon rakennetta. Ne voivat olla ligandivälitteisiä, reseptoriohjattuja ja jänniteohjattuja.

Jotkin ionikanavat ovat monimutkaisia moniosaisia ja molekyylikooltaan valtavia rakennelmia. Valtavat ionikanavien toimintaan kytkeytyneet reseptorit reagoivat suoraan pienen pieniin ligandimolekyyleihin, kuten aivoissa sijaitseva ionotrooppinen glutamaatti-aminohappoon reagoiva reseptori. Neljästä domeenista muodostuva proteiini muuttaa auliisti muotoaan tuhansia kertoja pienemmän glutamaatin sitoutuessa signaalinvälitykseen tarkoitettuun domeeniin ja avaa solukalvon läpisevä ionikanavan. Memantiinia käytetään Alzheimerin tautiin. Se suojaa aivojen hermosoluja tuhoutumiselta estämällä liiallisen glutamaatti-välittäjäaineen vaikutuksen.

Reseptoriohjatut ionikanavat aukeavat, kun niihen kiinnittyy tietty kemiallinen yhdiste. Kemiallinen yhdiste voi olla solun ulkoinen molekyyli kuten hormoni, hermoston välittäjäaine, lääkeaine tai myrkky tai solun sisäinen molekyyli. Ymmärtämällä ionikanavareseptorien toimintaa tutkijat voivat kehittää esimerkiksi addiktion hoitomuotoja muuttamalla reseptorien aktiivisuutta.

 

Ari Turunen

Tommi Nyrönen

 

Artikkeli PDF-muodossa

 

CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy

CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy on valtion omistama, opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima, voittoa tavoittelematon osakeyhtiö. CSC ylläpitää ja kehittää valtion omistamaa keskitettyä tietotekniikkainfrastruktuuria.
http://www.csc.fi
https://research.csc.fi/cloud-computing

ELIXIR

ELIXIR rakentaa infrastruktuurin bioalan tutkimuksen tueksi. Se yhdistää 21 Euroopan maan ja Euroopan molekyylibiologian laboratorion EMBL:n johtavat organisaatiot yhteiseksi biologisen informaation infrastruktuuriksi. Sen Suomen keskus on CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy.
http://www.elixir-finland.org
http://www.elixir-europe.org