Badanie maszynerii molekularnej bramek komórek nerkowych
Odkryty w 1999 r. przez naukowców z Wydziału Fizjologii Uniwersytetu w Radboud kanał TRPV5 (receptor waniloidowy przejściowego potencjału) umożliwia przepływ wapnia. Minerał ten jest niezbędny dla zdrowia kości i zębów, a ponadto m.in. zapobiega osteoporozie. Do niedawna nie było wiadomo jednak, jak dokładnie działa ten kanał kationowy. Jak wygląda maszyneria molekularna, która umożliwia otwieranie i zamykanie bramki? „Naszym głównym zadaniem było szczegółowe zbadanie kanału TRPV5 w skali molekularnej”, mówi Jenny van der Wijst, koordynatorka projektu CRYO-EM TRPV5, który był prowadzony przez Uniwersytet im. Radbouda w Nijmegen.
Tworzenie mapy białek w trzech wymiarach
„Do niedawna wizualizacja struktury atomowej dużych białek błonowych, takich jak TRPV5, była niezwykle trudna. Postanowiliśmy więc wykorzystać mikroskop krioelektronowy, rewolucyjną technikę, której twórcy otrzymali w 2017 r. Nagrodę Nobla”, mówi van der Wijst. W ramach wspieranego przez Unię Europejską projektu wykorzystano białko TRPV5 oczyszczone z komórek ssaków i odtworzone w nanodyskach lipidowych – fragmentach dwuwarstwy lipidowej otoczonej przez białko rusztowania. Białka te były dodawane w dużych ilościach do wody, gdzie mogły się swobodnie przemieszczać. Van der Wijst współpracowała ściśle z Yifanem Chengiem z Uniwersytetu Kalifornijskiego, którego wiedza z zakresu biologii strukturalnej stanowiła doskonałe uzupełnienie biotechnicznego wykształcenia badaczki w zakresie funkcjonowania kanałów jonowych. „Zamrażaliśmy próbki i za pomocą nowoczesnego mikroskopu wykonywaliśmy dwuwymiarowe zdjęcia białek pod różnymi kątami. Korzystając ze specjalistycznego oprogramowania Chimera do interaktywnej wizualizacji i analizy struktur molekularnych, uzyskaliśmy trójwymiarowy obraz TRPV5 z tysięcy obrazów dwuwymiarowych”, tłumaczy van der Wijst, która otrzymała wsparcie ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”.
Nowe środki lecznicze na wyciągnięcie ręki
„Uzyskaliśmy kilka obrazów struktur TRPV5 w wysokiej rozdzielczości. Powinny one pomóc lepiej zrozumieć patofizjologię różnych chorób ludzkich, czyli ich wpływ na funkcje organizmu”, dodaje badaczka. Ta szczegółowa analiza strukturalna może pokazać, w jaki sposób mutacja genów prowadzi do upośledzenia funkcji: „Jeśli chodzi o TRPV5, znamy kilka wariantów genetycznych, które są związane z kamicą nerkową”. Wiedza zdobyta dzięki tym obrazom o wysokiej rozdzielczości może w dalszej perspektywie zostać wykorzystana w programach opracowywania leków, zapewniając wgląd w działanie związków farmakologicznych. Van der Wijst dodaje, że kanały TRP są powiązane z różnymi stanami patologicznymi mającymi wpływ na nerki i jelita. „Ważne jest zatem, aby w pełni zrozumieć, w jaki sposób składniki molekularne, takie jak naturalne lub nienaturalne substancje oraz lipidy, wpływają na kanały jonowe”. Projekt został zakończony, ale stał się zalążkiem nowego badania finansowanego przez Holenderską Radę ds. Badań Naukowych. „Udało nam się zobrazować nie tylko strukturę kanału jonowego, ale także jego blokowanie przez powiązane z nim białko nazywane kalmoduliną. Nie wiemy, jak kontroluje ona przepływ wapnia przez TRPV5, choć widzimy, że zamyka bramkę niczym korek butelkę wina”, mówi na koniec van der Wijst. Kolejnym krokiem będzie wyjaśnienie tego mechanizmu włączania-wyłączania w kanale TRPV5.
Słowa kluczowe
CRYO-EM TRPV5, wapń, kalmodulina, mikroskop krioelektronowy, kanały jonowe, nerki, białka błonowe, nanodyski, patofizjologia, TRPV5
