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Pesquisadores do St. Jude Children’s Research Hospital elucidaram as estruturas do VMAT2, um transportador crucial na comunicação neuronal, revelando como ele interage com medicamentos usados para tratar doenças como a síndrome de Tourette. Este trabalho inovador oferece insights sobre o transporte de neurotransmissores, avançando o campo da neurofarmacologia.
Os neurônios se comunicam por meio de sinais químicos conhecidos como neurotransmissores. Pesquisadores do Hospital de Pesquisa Infantil St. Jude, aproveitando sua experiência em biologia estrutural, elucidaram com sucesso as estruturas do transportador vesicular de monoamina 2 (VMAT2), um componente chave da comunicação neuronal.
Ao visualizar o VMAT2 em diferentes estados, os cientistas agora entendem melhor como ele funciona e como as diferentes formas que a proteína assume influenciam a ligação ao medicamento – informação crítica para o desenvolvimento de medicamentos para tratar distúrbios hipercinéticos (excesso de movimento), como a síndrome de Tourette. O trabalho foi publicado recentemente na revista Natureza.
Como nossos neurônios conversam entre si
Compostos químicos chamados monoaminas, que incluem dopamina, serotonina e adrenalina, desempenham um papel central na comunicação neuronal. Essas moléculas afetam o funcionamento do cérebro, controlando nossas emoções, sono, movimento, respiração, circulação e muitas outras funções. As monoaminas são neurotransmissores (moléculas sinalizadoras) produzidas e liberadas pelos neurônios, mas antes de serem liberadas, devem primeiro ser empacotadas em vesículas.
As vesículas são compartimentos celulares que armazenam neurotransmissores antes de serem liberados nas sinapses (a junção através da qual os sinais químicos passam de um neurônio para outro). Pense nas vesículas como navios de carga da célula neuronal – os produtos neuroquímicos são embalados dentro delas e levados para onde precisam ir. VMATs são proteínas na membrana dessas vesículas que movem monoaminas para o espaço interno, agindo como guindastes de carregamento para os navios de carga.
A autora correspondente Chia-Hsueh Lee, Ph.D., o co-primeiro autor Shabareesh Pidathala, Ph.D., e o co-primeiro autor Yaxin Dai, Ph.D. com mapas do transportador de neurotransmissores VMAT2 em segundo plano. Crédito: Hospital de Pesquisa Infantil St.
“VMATs são transportadores necessários para empacotar esses neurotransmissores de monoamina em vesículas sinápticas”, explicou a co-autora Chia-Hsueh Lee, Ph.D., Departamento de Biologia Estrutural de St.
Depois que o VMAT preenche a vesícula com monoaminas, o “navio de carga” se move em direção à lacuna sináptica (o espaço entre os neurônios), onde libera os compostos químicos.
As muitas faces dos transportadores de monoaminas
Existem dois tipos de VMAT: VMAT1 e VMAT2. O VMAT1 é mais especializado, encontrado apenas em células neuroendócrinas, enquanto o VMAT2 é encontrado em todo o sistema neuronal e tem relevância clínica significativa.
“Sabíamos que o VMAT2 é fisiologicamente muito importante”, disse Lee. “Este transportador é alvo de medicamentos farmacologicamente relevantes utilizados no tratamento de distúrbios hipercinéticos, como coreia e síndrome de Tourette.”
Apesar da sua importância, a estrutura do VMAT2, que permitiria aos investigadores investigar como funciona plenamente, permaneceu indefinida. Lee e sua equipe usaram microscopia crioeletrônica (crio-EM) para obter estruturas de VMAT2 ligadas à monoamina serotonina e aos medicamentos tetrabenazina e reserpina, usados para tratar coreia e hipertensão, respectivamente. Isso não foi tarefa fácil.
“VMAT2 é uma pequena proteína de membrana”, explicou o co-primeiro autor Yaxin Dai, PhD., Departamento de Biologia Estrutural de St. “Isso o torna um alvo muito desafiador para a determinação da estrutura crio-EM.”
Apesar da dificuldade e usando alguns truques inteligentes, a equipe capturou múltiplas estruturas do VMAT2 que lhes permitiram descobrir como a proteína funciona e investigar como exatamente essas drogas funcionam. “Os transportadores VMAT adotam múltiplas conformações (formas) enquanto transportam seu substrato. Isso é chamado de transporte de acesso alternado, onde a proteína está voltada “para fora” ou “para dentro”, explicou o co-autor Shabareesh Pidathala, Ph.D., Departamento de Biologia Estrutural de St. “Para obter uma compreensão completa do mecanismo em nível atômico, precisávamos capturar múltiplas conformações deste transportador.”
Respondendo a uma pergunta de 40 anos
Os pesquisadores descobriram que esse mecanismo dinâmico significa múltiplas oportunidades para a ligação dos medicamentos. Eles confirmaram que a reserpina e a tetrabenazina ligam duas conformações diferentes do VMAT2. “30 ou 40 anos de investigação farmacológica sugeriram que estes dois medicamentos se ligam ao transportador de formas diferentes”, disse Pidathala, “mas ninguém conhecia os detalhes atómicos de como isto funciona. Nossas estruturas demonstram muito bem que essas duas drogas estabilizam duas conformações diferentes do transportador para bloquear sua atividade.”
A estrutura do VMAT2 com ligação à serotonina permitiu aos pesquisadores identificar aminoácidos que interagem com o neurotransmissor e impulsionam o transporte. “Acreditamos que este é um mecanismo comum que este transportador utiliza para envolver todas as monoaminas”, disse Lee.
Embora este trabalho ofereça um enorme avanço na compreensão do transporte de monoaminas, Lee e sua equipe estão se aprofundando em seu mecanismo. Por exemplo, a ingestão de monoaminas nas vesículas é alimentada por prótons que se movem na outra direção. “Identificamos aminoácidos que são importantes para este processo dependente de prótons”, disse Lee, “mas ainda não sabemos exatamente como os prótons conduzem esse transporte. Determinar este mecanismo é a nossa direção futura, o que nos ajudará a apreciar plenamente como funciona este transportador.”
Referência: “Mecanismos de transporte de neurotransmissores e inibição de drogas em VMAT2 humano” por Shabareesh Pidathala, Shuyun Liao, Yaxin Dai, Xiao Li, Changkun Long, Chi-Lun Chang, Zhe Zhang e Chia-Hsueh Lee, 32 de outubro de 2023, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06727-9
O outro primeiro autor do estudo é Shuyun Liao, da Escola de Ciências da Vida da Universidade de Pequim. O co-autor correspondente do estudo é Zhe Zhang, da Escola de Ciências da Vida da Universidade de Pequim. Outros autores incluem Xiao Li e Chi-Lun Chang, de St. Jude, e Changkun Long, da Escola de Ciências da Vida da Universidade de Pequim.
O estudo foi apoiado por doações da Instituto Nacional de Saúde (R01GM143282), o Programa Nacional Chave de Pesquisa e Desenvolvimento da China (2021YFA1302300), a Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (32171201), o SLS-Fundo de inovação Qidong, a Fundação de Pesquisa Juvenil em Ciências da Vida Li Ge-Zhao Ning, o Laboratório Estatal de Biologia de Membranas da China e a ALSAC, a organização de arrecadação de fundos e conscientização de St.
