Mithilfe von Kryo-EM, einer leistungsstarken Mikroskopietechnik, haben Forscher am Indian Institute of Science (IISc) und Mitarbeiter die molekulare Architektur eines Transporterproteins entschlüsselt, das die Bewegung eines wichtigen Neurotransmitters steuert. Ihre Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Struktur- und Molekularbiologie der Natur.
Neuronen oder Nervenzellen kommunizieren, indem sie chemische Signale, sogenannte Neurotransmitter, aussenden. Jeder Neurotransmitter kann bestimmte Proteingruppen, sogenannte Rezeptoren, aktivieren, die wiederum die neuronale Kommunikation entweder anregen oder hemmen. Ein Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung ist für die Aufrechterhaltung einer normalen Struktur und Funktion der neuronalen Schaltkreise von entscheidender Bedeutung. Ungleichgewichte der erregenden oder hemmenden Reize können zu Störungen wie Krampfanfällen, Angstzuständen und Schizophrenie führen.
Der hemmende Neurotransmitter Gamma-Aminobuttersäure oder GABA gleicht die erregenden Inputs von Glutamat, einem anderen Neurotransmitter, aus. Die GABA-gesteuerte Signalübertragung an den neuronalen Synapsen (Verbindungen zwischen Neuronen) wird durch GABA-Rezeptorproteine moduliert, die mit GABA interagieren, das von den vorhergehenden Neuronen im Schaltkreis freigesetzt wird.
Überschüssiges GABA, das in die neuronalen Synapsen freigesetzt wird, muss in Neuronen und umgebende Gliazellen recycelt werden, damit nachfolgende Freisetzungsereignisse stattfinden können. GABA-Transporter (GATs) sind die primären Moleküle, die an diesem Schritt beteiligt sind – sie nutzen Natrium- und Chloridionen, um überschüssiges GABA zurück in die Neuronen zu befördern. GATs sind daher lebenswichtige Moleküle, die die GABA-Signalisierung und -Funktion steuern. Sie sind daher ein wichtiges Ziel für die Behandlung von Erkrankungen wie Krampfanfällen.
Die aktuelle Studie unter der Leitung von Aravind Penmatsa, außerordentlicher Professor in der Molecular Biophysics Unit (MBU), IISc, entschlüsselt die molekulare Architektur von GAT mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie. Die Technik ist in der Lage, die Struktur von Biomolekülen abzubilden und zu rekonstruieren, die mehr als eine Million Mal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares sind.
Die Forscher reinigten GAT und verwendeten einen neuartigen Ansatz, um eine Antikörperstelle auf diesem Molekül zu schaffen. Antikörper tragen dazu bei, die Proteinmasse zu erhöhen und eine verbesserte Bildgebung durch Kryo-EM zu ermöglichen. Das Team konnte beobachten, dass die GAT-Struktur dem Zytosol – dem Inneren der Zelle – zugewandt war und an ein GABA-Molekül, Natrium- und Chloridionen gebunden war. Diese Bindung ist einer von vielen Schlüsselschritten im GABA-Transportzyklus; Seine Entschlüsselung kann wichtige Einblicke in die Mechanismen der GABA-Erkennung und -Freisetzung in Neuronen liefern.
Die Verfügbarkeit hochauflösender GAT-Strukturen ist entscheidend für die Entwicklung spezifischer Blocker der GABA-Aufnahme zur Behandlung von Epilepsie. Es würde auch bei der Untersuchung helfen, wie Medikamente, die zur Blockierung der GABA-Aufnahme verschrieben werden, mit GATs interagieren.
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Smruti Ranjan Nayak et al., Kryo-EM-Struktur des GABA-Transporters 1 enthüllt Substraterkennung und Transportmechanismus, Struktur- und Molekularbiologie der Natur (2023). DOI: 10.1038/s41594-023-01011-w