Ionenkanalen in de membraanblaasjes die het intracellulaire eiwittransport bemiddelen, spelen een cruciale rol in de celfysiologie. Met een methode die is ontwikkeld door een team van de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München, kunnen ze nu met meer specificiteit dan ooit tevoren worden bestudeerd.

Kleine membraangebonden blaasjes, bekend als endosomen en lysosomen, dienen als voertuigen voor het transport van eiwitladingen in dierlijke cellen. In de membranen van de blaasjes zitten eiwitten die ionkanalen worden genoemd, die de doorgang van elektrisch geladen atomaire deeltjes ('ionen') in en uit deze intracellulaire organellen regelen. Defecten in deze eiwitten spelen een centrale rol in de pathogenese van veel ziekten, en dissectie van hun moleculaire functies is van vitaal belang voor de ontwikkeling van effectieve therapieën voor deze aandoeningen. PD Christian Grimm en professor Christian Wahl-Schott van de afdeling Farmacie (directeur:professor Martin Biel) aan de LMU München behoren tot Europa's toonaangevende specialisten in het gebruik van de zogenaamde patch-clamp-techniek voor de studie van ionkanalen in celmembranen . In het laatste nummer van het tijdschrift Natuurprotocollen , ze beschrijven hoe ze de methode hebben aangepast voor gebruik met endolysosomale blaasjes. In een tweede studie, gepubliceerd in het tijdschrift Cell Chemical Biology, ze demonstreren vervolgens hoe patchklemming kan worden toegepast op specifieke functionele klassen van transportblaasjes. Deze doorbraak opent geheel nieuwe perspectieven voor de karakterisering van ionenkanalen en de mechanismen die deze reguleren.

Het endolysosomale systeem bestaat uit drie verschillende klassen endosomen - vroege, late en recycling endosomen - evenals lysosomen. Deze verschillende soorten blaasjes hebben verschillende functies. Vroege endosomale blaasjes worden gevormd door het invouwen van plekken op het celmembraan als reactie op activering van b.v. receptoreiwitten door extracellulaire signaalmoleculen. Hierdoor kunnen de receptoren van het oppervlak worden verwijderd en worden losgemaakt van hun activerende liganden. De receptoren worden dan ofwel doorgegeven aan recycling endosomen en teruggevoerd naar het celmembraan, of afgeleverd aan late endosomen die ze naar lysosomen transporteren, waar ze enzymatisch worden afgebroken. Dit mensenhandelsysteem neemt deel aan tal van metabolische processen en speelt een vitale rol bij de regulatie van het metabolisme van zware metalen en bij de juiste lokalisatie van specifieke membraanreceptoren. De ionkanalen die in vesiculaire membranen worden gevonden, zijn nauw betrokken bij al deze operaties. "Volgens studies van hun eiwitpopulaties, lysosomen en endosomen bevatten tot 70 verschillende ionkanaaltransporteiwitten, ' zegt Grimm.

Met de patch-clamp-methode kan men de doorgang van geladen deeltjes door enkele ionenkanalen in membraanpleisters meten, en dus om te bepalen of het kanaal actief of inactief is. Om dit te doen, men trekt een klein stukje membraan in een micropipet door zwak te zuigen, waardoor er een goede afdichting wordt gevormd tussen het membraan en de wand van de pipet. Met behulp van een micro-elektrode, men kan dan een testspanning toepassen en stroom door alle ionenkanalen in de patch laten lopen. "Het probleem is dat, in hun normale toestand, blaasjes zijn te klein om te bereiken via een patchpipet, dus ze moeten worden vergroot voordat metingen kunnen worden uitgevoerd, " zegt Grimm. Echter, de farmacologische hulpmiddelen die tot nu toe voor dit doel zijn gebruikt, werken zonder onderscheid op alle typen endolysosomale blaasjes. In een poging om meer specifieke agenten te ontdekken, de LMU-onderzoekers screenden een bibliotheek van verbindingen en identificeerden een bepaalde combinatie van twee biologische toxines die selectief de vergroting van vroege endosomen induceert door ze met elkaar te laten samensmelten. In aanvulling, ze konden aantonen dat een derde molecuul selectief late endosomen en lysosomen vergroot. Opmerkelijk, geen van deze stoffen werkt in op de recycling van endosomen.

"Dit is een belangrijke vooruitgang, omdat we nu twee sets tools hebben die ons in staat stellen om meer specifieke benaderingen te gebruiken en te vragen welke kanalen actief zijn in welke soorten blaasjes, " legt Grimm uit. Inderdaad, hij en zijn collega's hebben de nieuwe middelen gebruikt om aan te tonen dat het zogenaamde TRPML3-ionkanaal, die de doorgang van positief geladen kationen en de pH (zuurgraad) in blaasjes regelt, is actief in zowel vroege als late endosomen en lysosomen. In tegenstelling tot, het gerelateerde TRPML1-kanaal wordt gevonden in late endosomen en lysosomen, maar niet in vroege endosomen. Mutaties in TRPML-kanalen dragen bij aan de pathogenese van ernstige aangeboren aandoeningen zoals mucolipidosen, een zeldzame klasse van stofwisselingsziekten die de werking van het zenuwstelsel aantast. "Dankzij onze uitbreiding van patchklemming naar intracellulaire blaasjes, we kunnen deze ionenkanalen nu met grotere selectiviteit aanspreken. Dit is ook belangrijk bij het zoeken naar stoffen die specifiek de functies van bepaalde ionenkanalen kunnen remmen voor therapeutische doeleinden, ' merkt Grimm op.