Erster experimenteller Beweis, der einen Zusammenhang zwischen molekularer Fluktuation und Ligandenbindung zeigt

Forscher der Universität Kanazawa berichten im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie-Experimente, die zeigen, wie Liganden, die mit der Stimulierung und Unterdrückung der Aktivierung des TRPV1-Proteins verbunden sind, die strukturellen Variationen des Moleküls erhöhen und verringern. Die Beobachtungen liefern Einblicke in die Funktionsweise dieser Hitze- und Chili-empfindlichen Proteine.

Die Haut nimmt Hitze wahr – sowohl durch erhöhte Temperatur als auch durch Moleküle wie Capsaicin in Chilis – durch die Aktivierung von Proteinrezeptoren, die als Transientrezeptor-Potenzial-Vanilloid-Mitglied 1 (TRPV1) bezeichnet werden. Die Mechanismen hinter der Funktion von TRPV1 sind jedoch nicht klar. Nun liefern Ayumi Sumino von der Kanazawa-Universität in Japan und Motoyuki Hattori von der Fudan-Universität in China und ihre Kollegen wichtige Einblicke in diesen Mechanismus.

Indem sie Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie verwenden, um das Protein mit und ohne Stimulation oder Unterdrückung daran gebundener Moleküle – Liganden – zu vergleichen, erhalten sie das, was sie als „den ersten experimentellen Beweis für die Korrelation zwischen molekularer Fluktuation und dem Gating-Zustand (Ligandenbindung)“ bezeichnen. .“

Sobald er aktiviert ist, öffnet sich der TRPV1-Kanal, wodurch Ionen eindringen und dem Nervensystem signalisiert werden, dass ein schädliches Stimulans vorhanden ist. Im Jahr 2011 legten Forscher am Howard Hughes Medical Institute in den USA eine aus der Thermodynamik abgeleitete theoretische Grundlage für die Aktivierung des Rezeptors vor, ein theoretischer Rahmen, der seitdem durch Experimente bestätigt wurde.

Die Idee war, dass das Molekül auf Wärme mit einer Änderung der Wärmekapazität reagiert, die mit den Schwankungen in der Konformation des Moleküls zusammenhängt. Strukturen für das TRPV1-Protein waren aus früheren Kryo-Elektronenmikroskopie-Studien bekannt, diese konnten jedoch nicht klären, wie sich die Schwankungen der Proteinkonformation durch stimulierende oder unterdrückende Moleküle ändern könnten, oder ob Temperatur und Chili-Sensorik den gleichen molekularen Mechanismus hatten.

Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) erfasst die Topologie von Oberflächen durch den Einfluss des Abstands auf die Kräfte, die auf eine Nanospitze wirken, die direkt über der Oberfläche positioniert ist. Das Mikroskop wurde erstmals 1986 erfunden, wurde jedoch durch Arbeiten an der Universität Kanazawa wiederbelebt, die es ihm ermöglichten, Topologien mit hoher Geschwindigkeit zu erfassen und so einen Einblick in die Dynamik von Strukturen zu gewähren.

Sumino, Hattori und Kollegen verwendeten Hochgeschwindigkeits-AFM, um den TRPV1-Rezeptor sowohl in seinem ungebundenen Zustand als auch in gebundenem Zustand an Ligandenmoleküle abzubilden, die die Aktivität des Proteins entweder stimulieren (Agonist) oder unterdrücken (Antagonist). Als Agonist verwendeten sie das Molekül Resiniferatoxin, das 1.000-mal heißer als Capsaicin ist, und als Antagonist verwendeten sie Capsazepin, das den Schmerz von Capsaicin blockiert.

Anhand der erfassten Strukturen konnten die Forscher Schwankungen in der Konformation sowohl des gebundenen als auch des ungebundenen Zustands von TRPV1 beobachten. Sie fanden heraus, dass Resiniferatoxin Konformationsschwankungen verstärkt, während Capsazepin sie unterdrückt.

Obwohl die Konformationsschwankungen sehr gering waren – etwa ein Angström –, heben die Forscher in der Literatur Hinweise darauf hervor, dass Konformationsänderungen in dieser Größenordnung ausreichen, um die Ionenpermeabilität eines Kanals zu beeinflussen. In ihrem Arbeitsbericht kommen die Forscher zu dem Schluss: „Insgesamt deutet diese Studie auf die Bedeutung struktureller Schwankungen hin, die ein Schlüsselfaktor für die Wärmeerkennung von TRPV1 wären.“