Onderzoekers van het Southwestern Medical Center van de UT hebben vandaag een 3D-atoomstructuur gepubliceerd van het ionkanaal dat wordt aangetroffen bij zoogdieren en dat betrokken is bij een zeldzame, erfelijke neurodegeneratieve ziekte bij mensen. Het werk markeert de eerste dergelijke structuur die is bepaald met behulp van de vorig jaar geopende cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) faciliteit van de universiteit van $ 17 miljoen.

Bij cryo-EM, monsters worden snel ingevroren om de vorming van schadelijke ijskristallen te voorkomen en vervolgens bekeken bij min 321 graden Fahrenheit (cryogene temperaturen). De faciliteit van UT Southwestern - die de klok rond draait - is een van 's werelds topfaciliteiten voor cryo-EM structurele biologie.

Het interdisciplinaire team heeft de structuur van het muis TRPML1 (transient receptor potential mucolipin 1) ionkanaal opgelost.

hun studie, online gepubliceerd door Natuur , komt slechts een week nadat drie ontwikkelaars van cryo-EM-technologie de Nobelprijs voor Scheikunde 2017 kregen voor hun werk aan de instrumenten en methodologieën die de 'resolutierevolutie' hebben veroorzaakt. Cryo-EM maakt weergaven op atomair niveau mogelijk van eiwitten die bestand zijn tegen de kristallisatie die nodig is voor traditionele röntgenkristallografie.

"Functionerende ionenkanalen zijn nodig voor de juiste beweging van elektrisch geladen deeltjes - ionen - in en uit cellen en organellen om cellulaire processen te laten verlopen, " zei Dr. Youxing Jiang, Hoogleraar Fysiologie en Biofysica, een onderzoeker in het Howard Hughes Medical Institute (HHMI), en co-corresponderende auteur van de studie.

Het TRPML1-kanaal, die de stroom van calciumionen regelt, komt voor bij elk zoogdier. Het kanaal zit in het membraan van organellen in cellen die lysosomen worden genoemd, die enzymen bevatten die helpen bij cellulaire recycling door grote moleculen af ​​te breken.

Ongeveer 50 lysosomale stapelingsziekten (LSD's) zijn vastgesteld bij mensen, waaronder één klasse LSD's die wordt veroorzaakt door mutaties in functieverlies in genen die de TRPML1-kanalen regelen. Deze LSD, genaamd mucolipidose type IV, wordt gekenmerkt door een vertraagde ontwikkeling van mentale en motorische vaardigheden en slechtziendheid, volgens de National Institutes of Health.

"Vanwege de link met die klasse van lysosomale stapelingsziekten, TRPML1 is een potentieel doelwit geweest voor therapieën met kleine moleculen en er zijn verschillende potentiële agonisten (kanaalopeners) ontwikkeld, " zei dr. Jiang, een W.W. Caruth, Jr. geleerde in biomedisch onderzoek. Bepaling van de structuur van TRPML1 kan helpen bij het zoeken naar behandelingen voor mucolipidose type IV, hij zei.

De cryo-EM-faciliteit van UT Southwestern herbergt drie hightech instrumenten, inclusief een 12½-voet-lange, Titan Krios van 2 ton die een krachtige straal door elk monster schiet, terwijl een speciale camera beelden vastlegt van de verstrooide elektronen die het resultaat zijn. Een robotarm in de machine kan een dozijn flash-bevroren monsters op een geautomatiseerde manier vasthouden en nauwkeurig verplaatsen, zodat duizenden beelden kunnen worden vastgelegd, verwerkt via computers, en geïnterpreteerd om 3D-beelden voor studie te genereren, legden de onderzoekers uit.

Een ander onderscheid in deze studie is het succesvolle gebruik van een relatief nieuwe monstervoorbereidingstechniek:het inbedden van het betreffende eiwit in een nanoschijfstructuur gemaakt van lipiden en andere biologische materialen. Hoofdauteur Dr. Qingfeng Chen, een postdoctoraal onderzoeker in het Jiang-laboratorium, het monster gemaakt.

"Voor een lange tijd, wasmiddel is gebruikt om eiwitten uit membranen te extraheren voor studie. Mensen hebben gesuggereerd dat wasmiddel de eiwitstructuur van zijn oorspronkelijke staat zou kunnen veranderen, " zei dr. Xiaochen Bai, een assistent-hoogleraar biofysica en celbiologie en de tweede corresponderende auteur van de studie. "Membraan eiwitten, zoals die we bestudeerden, zijn meestal verpakt in lipiden. Nanodiscs worden gebruikt om een ​​natuurlijke omgeving voor het eiwitmonster te bieden."

Dr. Bai is gespecialiseerd in de geavanceerde software die wordt gebruikt om de organisatie van individuele atomen in elk deeltje te onthullen. Hij werd gerekruteerd aan de UT Southwestern als een Cancer Prevention and Research Institute of Texas (CPRIT) Scholar en een Virginia Murchison Linthicum Scholar in Medical Research na vijf jaar training aan het MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, VK

Werken in een team dat ontwikkelt wat een van de beste softwareprogramma's is geworden voor het verwerken van de beeldgegevens die worden gegenereerd door de elektronenmicroscopie, Dr. Bai had veel gesprekken met Dr. Richard Henderson, een van de drie wetenschappers die vorige week de Nobelprijs voor Scheikunde hebben toegekend.

"Hij heeft dag en nacht in het lab gewerkt aan methodeontwikkeling voor cryo-EM. Een van zijn grote bijdragen was de ontwikkeling van een nieuw type camera om betere foto's te maken van de met cryo-EM bestudeerde eiwitten, "Zei Dr. Bai. "Toen ik voor het eerst naar Engeland verhuisde, hij gaf me veel begeleiding en ondersteuning en we hadden veel discussies over cryo-EM-technieken."