Studie gibt Aufschluss darüber, wie Scramblase-Proteine ​​Zellmembranen neu anordnen

Eine Klasse von Proteinen, die als TMEM16-Scramblases bekannt ist, ermöglicht die Neuordnung von Lipiden in der Zellmembran, hauptsächlich durch Ausdünnen der Membran, gemäß einem neuen Modell von Weill Cornell Medicine-Forschern.

Das Modell, das auf den bisher höchstauflösenden Bildern einer TMEM16-Scramblase basiert, stellt die vorherrschende Theorie darüber in Frage, wie diese Proteine ​​ihre grundlegende Rolle in der Biologie spielen, und könnte zu den ersten auf Scramblase gerichteten Arzneimitteln führen.

Scramblase-Proteine ​​befinden sich in den äußeren Membranen praktisch aller eukaryotischen Zellen und können die normale Anordnung von fettverwandten Lipidmolekülen, aus denen die Membranen bestehen, desorganisieren – durcheinander bringen. Diese Störung der normalen Membranstruktur ist ein notwendiger Teil vieler wichtiger biologischer Ereignisse, einschließlich Blutgerinnung, Membranreparatur und Apoptose, dem programmierten Tod geschädigter Zellen. Funktionsstörungen von TMEM16-Scramblases wurden unter anderem mit Blut- und Knochenerkrankungen, geringerer Spermienbeweglichkeit, Krebs und Bewegungsstörungen in Verbindung gebracht.

Die Forscher, deren Ergebnisse am 11. Mai in gemeldet wurden Naturkommunikation, verwendeten kryogene Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), um die Struktur einer TMEM16-Scramblase mit nahezu atomarer Auflösung in einer membranähnlichen Umgebung abzubilden. Die Bilddaten deuteten stark darauf hin, dass das Konsensmodell zur Funktionsweise dieser Scramblases überarbeitet werden muss.

„Wir schlagen vor, dass das Scramblase-Protein TMEM16 nicht direkt mit spezifischen Lipiden interagiert, sondern die Struktur der Membran mechanisch verändert, wodurch sie im Allgemeinen sehr dünn und ungeordnet wird“, sagte Alessio Accardi, Professor für Physiologie und Biophysik in der Anästhesiologie bei Weill Cornell Medicine.

Die Erstautoren der Studie waren Maria Falzone, eine Doktorandin im Accardi-Labor während der Studie, und Zhang Feng, ein Postdoktorand im Accardi-Labor.

Die äußere Membran einer Zelle besteht aus zwei eng geordneten Schichten von Lipidmolekülen, wobei die äußere und die innere Schicht aus unterschiedlichen Sätzen von Lipidmolekültypen bestehen. Eine TMEM16-Scramblase überspannt diese Schichten und hat eine Röhren- oder „Rutschen“-Struktur, die sich öffnet, wenn sie durch Bindung von Calciumionen aktiviert wird.

Die Aktivierung dieses Proteins bewirkt, dass Lipide in der Zellmembran ihre normale Anordnung verlieren und zufällig zwischen den beiden Schichten verteilt werden. Die vorherrschende Hypothese war, dass die Rutsche in etwa wie die Rille in einem Kreditkartenleser wirkt, wobei sich Lipide frei zwischen den Membranschichten bewegen, indem sie mit dem Kopf voran in die Rille passen, wodurch die beiden Membranblättchen ihre übliche Anordnung verlieren. Die Schwierigkeit, die Struktur von TMEM16 im Komplex mit schwach assoziierten Lipidmolekülen in ausreichendem Detail mit bildgebenden Verfahren aufzulösen, ließ jedoch den genauen Mechanismus des Lipid-Scramblings unklar.

Accardi und sein Team verwendeten Kryo-EM, um ein 3D-Strukturbild der TMEM16-Scramblase zu erstellen, die in einer Pilzart, Aspergillus fumigatus, gefunden wurde. Diese Version der Scramblase ist den menschlichen Proteinen sehr ähnlich, obwohl sie für Kryo-EM-Zwecke stabiler ist. Die Auflösung des Strukturbildes betrug 2,4 Angström oder etwa ein Viertelmilliardstel Meter – die bisher höchste Auflösung für eine TMEM16-Scramblase-Struktur.

Die strukturellen Bildgebungsdaten, kombiniert mit Funktionsanalysen verschiedener Mutanten der Scramblase TMEM16, deuteten darauf hin, dass das Kartenlesegerät-Modell falsch ist. Anstatt spezifische Wechselwirkungen mit Lipiden einzugehen, verformt die Scramblase-Rutsche lokal die Membran, um sie deutlich dünner zu machen, wodurch Lipide in der Nähe desorganisiert werden.

„Wir schlagen vor, dass TMEM16 Scramblase die Struktur der Membran mechanisch verändert und sie in der Nähe der Rille sehr dünn und ungeordnet macht“, sagte Accardi. „Dies ermöglicht eine Lipidbewegung, ohne dass Wechselwirkungen mit der Innenseite der Rille erforderlich sind, wie beim Modell des Kreditkartenlesers.“

Das Öffnen der Rutsche, bemerkte er, bringt auch Wassermoleküle herein, die die Bewegung der nahe gelegenen Lipidköpfe zwischen den Membranschichten erleichtern.

Accardi und sein Team arbeiten nun daran, ihre Ergebnisse in Säugetierversionen von TMEM16-Scramblase zu bestätigen. Sie untersuchen auch, wie die Funktionen dieser Scramblase in Zellen reguliert werden, und beginnen darüber nachzudenken, wie zukünftige niedermolekulare Medikamente die Scramblase-Funktion wiederherstellen oder anderweitig verändern könnten, um Krankheiten zu behandeln.

„Wir versuchen, die Auswirkungen dieses neuen Modells, das von unserer Studie vorgeschlagen wird, auf die Biologie und Medizin zu verstehen“, sagte Accardi.