Wissenschaftler enthüllen, wie sensorisches Protein seine Form mit Nanometerauflösung ändert

Die Fähigkeit, mechanische Reize wie Berührungen oder Blutdruck wahrzunehmen, ist für physiologische Prozesse beim Menschen und im gesamten Tierreich von entscheidender Bedeutung. In einer neuen Studie zeigen Wissenschaftler von Scripps Research, wie der sensorische Ionenkanal PIEZO1 seine Form als Reaktion auf mechanische Reize ändert, und geben so wichtige Informationen über die Funktionsweise dieses Proteins preis.

In der Studie, veröffentlicht in Naturcharakterisierten die Forscher die Form und Konformation des Sensors, wenn er in die Plasmamembran der Zelle – ihre natürliche Arbeitsumgebung – eingebettet ist.

Indem sie verschiedene Regionen des Proteins mit fluoreszierenden Molekülen markierten und die Abstände zwischen ihnen direkt maßen, zeigten die Forscher, dass PIEZO1 eine ausgedehnte Konformation aufweist, wenn es sich in der Plasmamembran befindet, im Gegensatz zu der kontrahierten, becherartigen Konformation, die bei früheren zellfreien Untersuchungen vorhergesagt wurde Strukturmodelle. Dieser strukturelle Befund könnte zu zukünftigen Anwendungen in der Arzneimittelforschung führen, etwa zum Screening nach wirksamen Medikamenten im Zusammenhang mit Krankheiten, die mit angeborenen PIEZO1-Defekten in Zusammenhang stehen, wie etwa autosomal-rezessiv vererbte angeborene lymphatische Dysplasie und hereditäre Xerozytose.

„Unsere Ergebnisse zeigen, wie die zelluläre Umgebung die Struktur von PIEZO1 formen und die grundlegenden molekularen Bewegungen aufdecken kann, die der Kanalaktivierung zugrunde liegen“, sagt der leitende Autor Ardem Patapoutian, Ph.D., Professor am Dorris Neuroscience Center bei Scripps Research und Howard Hughes Medical Ermittler des Instituts. Patapoutian erhielt 2021 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Entdeckung von PIEZO1 und PIEZO2, den entscheidenden Rezeptoren, die es Zellen ermöglichen, auf mechanische Reize zu reagieren.

Das Team wollte eine offene Frage lösen: Wie wandeln diese Proteine ​​einen mechanischen Reiz in ein elektrisches Signal um, das die Währung des Nervensystems ist? Die Beantwortung dieser Frage würde Erkenntnisse darüber liefern, was unter verschiedenen Bedingungen zu Fehlfunktionen von PIEZO-Rezeptoren führt.

PIEZO1 hat die Form eines dreiflügeligen Propellers und seine Blätter gelten als primäre Sensoren für mechanische Kraft. Daher ist das Verständnis ihrer Struktur entscheidend für das Verständnis der Funktionsweise des Sensors. Allerdings fehlten früheren Modellen, die auf Elektronenmikroskopie basierten, Informationen darüber, wie die Spitzen dieser Schaufeln strukturiert sind. Darüber hinaus wurden diese früheren Studien an isolierten, membranfreien Proteinen durchgeführt, was bedeutet, dass sie nur begrenzt in der Lage waren, die Form und Bewegung von PIEZO1 in der tatsächlichen Zellumgebung vorherzusagen.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, nutzte Patapoutians Team die MINFLUX- und iPALM-Mikroskope, die Details im Nanometerbereich erfassten und es dem Team ermöglichten, einzelne PIEZO1-Moleküle im Kontext der Zellmembran zu visualisieren.

„Die Bewertung von PIEZO1 in seinem zellulären Kontext ist nur ein Beispiel für das Potenzial der hochauflösenden Mikroskopie, die ein transformatives Forschungsinstrument für eine Vielzahl von Forschungsprogrammen hier bei Scripps Research sein könnte“, sagt Co-Autor Scott Henderson, Direktor des Scripps Research Research Core Microscopy Facility und Professor in der Abteilung für Integrative Struktur- und Computerbiologie.

Die Forscher markierten PIEZO1 mit Fluoreszenzmarkern und nutzten die Mikroskope, um das Protein in verschiedenen Situationen abzubilden: im Ruhezustand, wenn es einem chemischen Inhibitor ausgesetzt wurde und wenn es durch Dehnung der Zellmembran aktiviert wurde.

Sie fanden heraus, dass seine Klingen in einer ausgedehnten Konformation ruhen, wenn PIEZO1 keinen mechanischen Reizen ausgesetzt ist. Dies steht im Gegensatz zu den früheren, membranfreien Strukturmodellen – ohne das Vorhandensein der Zellmembran (die einen Abflachungsdruck auf die Klingen von PIEZO1 ausübt) falten sich die Klingen in eine eher becherartige Konformation.

„In der zellulären Umgebung befindet sich PIEZO1 in einem Zustand des mechanischen Gleichgewichts, in dem die Belastungen des Proteins auf die Membran und die Belastungen der Membran auf das Protein zu einer Nettoabflachung des Kanals führen“, sagt Eric Mulhall, Ph.D. , der Erstautor der Studie und Postdoktorand im Patapoutian-Labor von Scripps Research und dem Howard Hughes Medical Institute.

Als die Forscher PIEZO1 einem Toxin aus der chilenischen Rosenvogelspinne aussetzten, das die Funktion des Rezeptors hemmt, indem es die von der Membran ausgeübten Spannungen abbaut, nahm das Protein die becherartige Konformation an. Wenn sie dagegen einen mechanischen Reiz ausübten, indem sie die Zellmembran dehnten, dehnten sich die Blätter des Proteins noch weiter aus. Derselbe mechanische Reiz führte auch zu einer elektrischen Aktivierung des Kanals. Zusammengenommen legen diese Ergebnisse nahe, dass die erweiterte Konformation die aktive Übertragung mechanischer Reize erleichtert.

„Der Grad der Klingenausdehnung scheint mit der Kanalaktivierung zu korrelieren“, sagt Mulhall. „Wenn die Blätter stark zusammengeklappt sind, ist der Kanal überhaupt nicht aktiv, wenn sie jedoch stärker ausgedehnt oder sogar völlig flach sind, ist der Kanal sehr aktiv.“

Die Einzelmolekülanalyse des Teams ergab außerdem, dass die Klingen von PIEZO1 an ihrer Basis relativ starr, an ihren Enden jedoch flexibler sind, was Auswirkungen darauf hat, wie empfindlich die Sensoren auf mechanische Reize reagieren. „Wenn die Klingen an ihren Enden schlaff sind, könnte das dazu beitragen, die mechanischen Hintergrundgeräusche innerhalb einer Zelle zu dämpfen“, sagt Mulhall.

Das Verständnis, wie PIEZO1 seine Form als Reaktion auf verschiedene Reize ändert, könnte zukünftige Anwendungen für das Screening von Medikamenten haben, die die Sensoren hemmen oder aktivieren könnten.

„Da wir nun über dieses Modell verfügen, wie sich die Proteine ​​bewegen, könnten wir es möglicherweise als Messwert für Modulatoren der Kanalaktivität nutzen“, sagt Mulhall. „Wenn Sie beispielsweise ein Medikament zur Behandlung mechanischer Schmerzen testen würden – die teilweise durch PIEZO-Kanäle vermittelt werden – könnten Sie dies als Plattform nutzen, um herauszufinden, ob das Medikament tatsächlich die Funktion des Kanals verändert.“

Als nächstes wollen die Forscher weitere Positionen auf dem Protein analysieren, um Informationen darüber zu gewinnen, wie sich das gesamte Protein bewegt.

Über PIEZOs hinaus unterstreicht die Studie die Fähigkeit, mithilfe der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie kleinste Bewegungen von Proteinen in ihrer natürlichen Umgebung zu analysieren. „Jetzt können wir darüber nachdenken, Strukturbiologie mit einem Lichtmikroskop durchzuführen“, sagt Patapoutian.

Zu den Autoren der Studie „Direct Observation of the Conformational States of PIEZO1“ gehören neben Mulhall, Henderson und Patapoutian auch Anant Gharpure, Adrienne E. Dubin und Kara L. Marshall von Scripps Research und dem Howard Hughes Medical Institute; Rachel M. Lee, Jesse S. Aaron, Michael A. Reiche und Teng-Leong Chew vom Janelia Research Campus des Howard Hughes Medical Institute; und Kathryn R. Spencer von Scripps Research.