Мембраны, покрывающие клетки и клеточные органеллы, обычно непроницаемы для заряженных частиц, таких как ионы соли. Но есть лазейки: трансмембранные белки могут образовывать каналы, пропускающие ионы. В большинстве случаев такие ионные каналы открываются или закрываются при получении определенного переданного сигнала, например напряжения или сигнальной молекулы. Каналы часто специализированы, чтобы пропускать только определенные ионы, такие как хлорид, калий или натрий.
Команда под руководством профессора Томаса Йенча из Leibniz-Forschungsinstitut fur Molekulare Pharmakologie (FMP) и Центра молекулярной медицины Макса Дельбрука при Ассоциации Гельмгольца (MDC) определила новый трансмембранный белок TMEM206 в качестве нового канала хлорид-иона. Он характеризуется до сих пор уникальным механизмом активации: когда уровень pH в клеточной среде снижается, канал открывается и позволяет хлориду, в зависимости от типа клетки, выходить или попадать в клетку. Этот тип ионных каналов может играть роль в развитии сердечных приступов, инсультов и опухолей, поскольку эти заболевания сопровождаются закислением пораженных тканей.
Отправной точкой для текущих исследований был ионный канал под названием ASOR (Acid-Sensitive Outwardly Rectifying Anion Channel).
Более десяти лет назад электрофизиологические исследования обнаружили и охарактеризовали pH-регулируемые хлоридные токи в клетках различных позвоночных. "Но структура основного канала оставалась неизвестной. В то время технологии были недостаточно развиты, чтобы провести анализ всего генома и идентифицировать его. Мы обнаружили ген, кодирующий белок, образующий канал ASOR », – объясняет профессор Томас Йенч, глава 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 оптический тест для обнаружения функции канала ASOR, который совместим с высокопроизводительными методами.
Чтобы найти последовательности ДНК, относящиеся к каналу ASOR, исследователи провели скрининг миРНК. Это включает в себя использование небольших фрагментов РНК (малые интерферирующие 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 скрининговое подразделение на заводе FMP, в котором есть предприятие, специализирующееся на этих высокопроизводительных методах, было нашим прямым соседом», – говорит Йенч. «Там есть множество роботов, которые дозируют образцы, и он оснащен автоматизированными системами культивирования клеток."Библиотека siRNA подразделения скрининга содержит siRNA для всех 20 000 генов человека, каждый из которых должен оцениваться отдельно.
На всякий случай было выполнено три прогона, так что в итоге в общей сложности 60 000 индивидуальных результатов пришлось проанализировать биоинформатически.
«Идентификация TMEM206 в качестве центрального компонента канала ASOR является большим прорывом.
Это открывает возможность, наконец, раскрыть неизвестные в настоящее время физиологические роли канала », – резюмирует Йенч. Хлорид-ионы являются одними из самых важных и распространенных электролитов в организме.
Их концентрация может существенно различаться во внеклеточном пространстве, цитоплазме и различных внутриклеточных органеллах. Клеточная мембрана образует барьер для отрицательно заряженного хлорида, но специальные мембранные белки позволяют ему преодолевать этот барьер. Ионы хлорида либо движутся по градиентам концентрации через каналы, либо, связываясь с другими ионами, могут активно перекачиваться через мембрану белками-переносчиками. Хлоридные каналы выполняют самые разнообразные биологические функции.
Основные белки также очень разнообразны на молекулярном уровне. Они регулируются множеством способов регулирования транспорта хлоридов в соответствии с потребностями клетки и организма.
Существуют убедительные доказательства того, что канал ASOR играет роль в индуцированной кислотой гибели клеток. Канал пропускает хлорид-ионы только тогда, когда внеклеточная среда очень кислая. Несмотря на то, что канал обнаружен в каждой клетке млекопитающего, это происходит 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.
По словам Йенча, есть еще много вопросов, на которые нет ответа. В чем значение сильной зависимости канала от pH?? Почему все клетки, по-видимому, имеют этот канал ASOR?
А где именно канал расположен внутри ячеек? 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 производит мышей, у которых ген канала разрушен.
Они хотят выяснить, в какой клетке экспрессируется белок канала и где именно он локализуется внутри клеток. В будущем они также надеются уточнить физиологическую функцию, используя свои модели мышей.