Der Tastsinn des menschlichen Körpers ist so wichtig, dass er im ganzen Körper zu finden ist, nicht nur auf der Haut. Zwei winzige Tastsensoren, Piezo1 und Piezo2, signalisieren leichteste Drücke und überwachen das Kreislaufsystem, teilen dem Körper mit, wo sich seine Gliedmaßen im Raum befinden, und schlagen sogar Alarm, wenn der Blasendruck zu hoch ist. Doch eine neue Studie der Duke University zeigt, dass Piezo1 anders funktioniert als allgemein angenommen.
„Aufgrund des Mechanismus, den wir gefunden haben, können wir grundsätzlich sagen, dass dieses Signal, das von Piezo kommt, auch von anderen Proteinen aufgenommen wird, und daher erweitert dies die Art und Weise, wie mechanische Kräfte übertragen werden, erheblich“, sagte Jörg Grandl, außerordentlicher Professor für Neurobiologie an der Duke. „Es gibt andere Signale, mit denen eine Zelle arbeiten und die sie besser verstehen und interpretieren kann. Es eröffnet also eine neue Dimension der Signalübertragung.“
Die Entdeckung der Existenz und Allgegenwärtigkeit von Piezo1 und anderen Berührungssensoren war Teil des Nobelpreises für Physiologie oder Medizin 2021 und ist zu einem heißen Forschungsthema geworden. Wissenschaftler auf der ganzen Welt streben nach einem tieferen Verständnis dieser entscheidenden Teile der Physiologie in der Hoffnung, neue Therapien für Schmerz- und Juckreizempfindungen und eine Vielzahl anderer Probleme entwickeln zu können.
Piezo1 sitzt in einer Vertiefung auf der Zelloberfläche, die bei leichtem Druck flacher wird. Diese Bewegung öffnet wiederum einen Kanal im Protein, durch den geladene Kalziumionen in die Zelle eindringen können – also elektrischer Strom –, der der Zelle signalisiert, wie stark sie berührt wird.
Grandl und die Postdoktorandin Amanda Lewis sagen jedoch in einem neuen Artikel erscheinen online 22. Juli in der Zeitschrift NeuronDoch das ist noch nicht alles: Piezo1 kann seinen Nachbarproteinen auch dann Signale geben, wenn kein elektrischer Strom durch den Kanal fließt. Wenn sie auf der Zellmembran nahe beieinander sitzen, verändert es seine Form so weit, dass es einem anderen Berührungssensor, einem Kaliumkanal namens TREK1, Signale geben kann.
„In den letzten 14 Jahren, seit Piezos entdeckt wurden, haben die Menschen fast überall im Körper, wo irgendeine Art mechanischer Empfindung auftritt, nach dem Protein gesucht“, sagte Lewis. „Und die Antwort lautet fast immer, dass es Piezo ist.“
Um herauszufinden, ob eine Signalübertragung nur durch eine Formänderung von Piezo1 erfolgte, entwickelten Lewis und seine Doktorandin Marie Cronin mutierte Versionen von Piezo1, die weniger flexibel waren. Sie probierten dies mit Piezos von Fruchtfliegen und Mäusen aus. Indem sie mit einem Mikromanipulator sanften Druck ausübten, maßen sie Reaktionen in Sensoren in einer Entfernung von 50 bis 100 Nanometern, der Größe mehrerer Proteine.
Nachdem sie dies gesehen hatten, richteten sie ihre Aufmerksamkeit darauf, wo sich Piezo1 und TREK1 auf der Zellmembran befinden und stellten fest, dass sie dichter beieinander liegen, als es zufällig möglich wäre. Wichtig ist, dass sie sich nicht aneinander binden, um Signale auszutauschen, aber sie bleiben nah beieinander.
„Dies wird als ‚Konformationssignalisierung‘ bezeichnet“, sagte Grandl. Es ist eine Formänderung, kein Ionenfluss, der das Signal sendet. „Das ist nicht völlig unbekannt, es gibt zwei andere Ionenkanäle, von denen zuvor beschrieben wurde, dass sie dies tun. Wir glauben, dass dies der dritte ist, aber er ist anders.“ Die anderen beiden Konformationssignale kamen von Proteinen, die direkt an den Sensor binden.
Der nächste Schritt der Forscher besteht darin, herauszufinden, wie dieses Konformationssignal von Piezo1 an TREK1 gesendet wird. Wahrscheinlich ist dabei eine Veränderung der Zellmembran beteiligt, die jedoch noch nicht gemessen wurde.
„Ich denke, das erweitert unsere Vorstellungen davon, wie Piezos all diese unterschiedlichen Rollen im Körper spielen“, sagte Grandl. „Es wurde immer angenommen, dass Piezos den Blutdruck, leichte Berührungen und das Blasengefühl über ihren Ionenkanal regulieren.“
„Jeder neue biologische Mechanismus, den man entdeckt, eröffnet neue Möglichkeiten, ihn möglicherweise als Behandlungsmethode gegen die vielen Krankheiten einzusetzen, die mit mechanischen Empfindungen zusammenhängen“, sagte Grandl. „Die bekanntesten sind mechanische Schmerzen und chronischer Juckreiz, der ein großes klinisches Problem darstellt.“
Mehr Informationen:
Amanda H. Lewis et al, Piezo1-Ionenkanäle sind in der Lage, Konformationssignale zu übermitteln, Neuron (2024). DOI: 10.1016/j.neuron.2024.06.024