В организме человека содержание солей в клетках и их окружении регулируется сложными транспортными системами. Специальные каналы в клеточной мембране избирательно позволяют ионам соли входить и выходить из клеток. Исследовательская группа под руководством профессора Томаса Дженча из FMP и MDC определила молекулярные компоненты ранее неизвестного ионного канала.
Мембраны, покрывающие клетки и клеточные органеллы, обычно непроницаемы для заряженных частиц, таких как ионы солей. Но есть лазейки: трансмембранные белки могут образовывать каналы, по которым проходят ионы. В большинстве случаев такие ионные каналы открываются или закрываются при приеме того или иного передаваемого сигнала, например напряжения или сигнальной молекулы. Каналы часто специализированы, чтобы пропускать только определенные ионы, такие как хлорид, калий или натрий.
Группа под руководством профессора Томаса Йенча из Лейбниц-исследовательского института молекулярной фармакологии (FMP) и Центра молекулярной медицины им. Макса Дельбрюка Ассоциации Гельмгольца (MDC) определила новый трансмембранный белок под названием TMEM206 в качестве нового хлорида. ионный канал. Для него характерен пока уникальный механизм активации: когда уровень pH в клеточной среде снижается, канал открывается и позволяет хлориду, в зависимости от типа клетки, вытекать или входить в клетку. Этот тип ионных каналов может играть роль в развитии инфарктов, инсультов и опухолей, поскольку эти заболевания сопровождаются закислением пораженных тканей.
Отправной точкой текущего исследования был ионный канал под названием ASOR (кислотно-чувствительный анионный канал наружного выпрямления). Более десяти лет назад в результате электрофизиологических исследований были обнаружены и охарактеризованы рН-регулируемые токи хлора в клетках различных позвоночных. «Но структура основного канала оставалась неизвестной. В то время технологии не были достаточно развиты, чтобы проводить полногеномный скрининг для его идентификации. Сейчас мы обнаружили ген, кодирующий белок, формирующий канал ASOR», - объясняет профессор. Томас Дженч, руководитель исследовательской группы по физиологии и патологии ионного транспорта в MDC и FMP.
На завершение исследования ушло около четырех лет. Многие методы пришлось адаптировать или разработать заново. Например, команда разработала специальный анализ оптического обнаружения для функции канала ASOR, который совместим с высокопроизводительными методами.
Для поиска последовательностей ДНК, имеющих отношение к каналу ASOR, исследователи провели скрининг siRNA. Это включает в себя использование небольших фрагментов РНК (малых интерферирующих РНК или миРНК) для систематического отключения генов один за другим в культивируемых клетках с последующим анализом функциональных последствий.
Они также использовали технологию CRISPR-Cas9 и мутации, изменяющие свойства канала, чтобы подтвердить, что идентифицированный таким образом ген действительно кодирует канал. «Для нас было чрезвычайно полезно, что подразделение скрининга в FMP, которое специализируется на этих высокопроизводительных методах, было нашим непосредственным соседом», - говорит Дженч. «Там есть множество роботов, которые пипетируют образцы, и он оснащен автоматизированными системами культивирования клеток». Библиотека миРНК Отдела скрининга содержит миРНК для всех 20 000 генов человека, каждый из которых должен оцениваться отдельно. На всякий случай было проведено три прогона, так что в итоге в общей сложности 60 000 отдельных результатов должны были быть проанализированы с помощью биоинформатики.
«Идентификация TMEM206 как центрального компонента канала ASOR является крупным прорывом. Это открывает дверь для окончательного раскрытия неизвестных в настоящее время физиологических функций канала», - резюмирует Дженч. Ионы хлорида являются одними из наиболее важных и распространенных электролитов в организме. Их концентрация может существенно различаться между внеклеточным пространством, цитоплазмой и различными внутриклеточными органеллами. Клеточная мембрана образует барьер для отрицательно заряженного хлорида, но специальные мембранные белки позволяют ему преодолевать этот барьер. Ионы хлора либо перемещаются по градиенту концентрации по каналам, либо, соединяясь с другими ионами, могут активно перекачиваться через мембрану транспортными белками. Хлоридные каналы выполняют очень разнообразные биологические функции. Лежащие в основе белки также молекулярно очень разнообразны. Они регулируются множеством способов регулирования транспорта хлоридов в соответствии с потребностями клетки и организма.
Есть убедительные доказательства того, что канал ASOR играет роль в гибели клеток, вызванной кислотой. Канал позволяет проходить ионам хлора только тогда, когда внеклеточная среда очень кислая. Несмотря на то, что канал обнаружен в каждой клетке млекопитающих, он встречается только в нескольких специализированных типах клеток или при патологических состояниях, таких как инсульт или сердечный приступ, или в опухолях. Однако тот факт, что ASOR играет вредную роль в заболевании, не объясняет, почему он обнаружен во всех клетках млекопитающих.
Есть еще много вопросов без ответов, говорит Йенч. Какое значение имеет сильная рН-зависимость канала? Почему все клетки, по-видимому, имеют этот ASOR-канал? А где именно находится канал внутри клеток? Присутствует ли он также в кислых органеллах, таких как лизосомы и эндосомы? Для дальнейшего выяснения структуры и физиологических функций ASOR исследовательская группа разработала антитела против TMEM206 и создала мышей, у которых разрушен ген канала. Они хотят выяснить, в какой клетке экспрессируется канальный белок и где именно внутри клетки он локализован. В будущем они также надеются прояснить физиологическую функцию, используя свои мышиные модели.