Nierstenen - solide, kiezelachtig gruis dat ontstaat wanneer te veel van bepaalde mineralen zoals calcium in de urine zitten - kan mannen treffen, Dames, en steeds meer, kinderen, en de aanwezigheid en pijn van stenen treft meer dan 12 procent van de wereldbevolking. Met behulp van de 2017 Nobelprijswinnende techniek van cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) om een ​​afbeelding met hoge resolutie van een ionkanaaleiwit vast te leggen, genaamd TRPV5, dat calcium uit de urine verwijdert, onderzoekers van de Perelman School of Medicine aan de Universiteit van Pennsylvania, Rutgers Universitaire Medische School, en Tempel Universiteit, vond nieuwe aanwijzingen over hoe nierstenen zich vormen.

Met nieuwe informatie verkregen uit de moleculaire structuur van TRPV5, onderzoekers kunnen nu bio-informatica gebruiken om verbindingen te ontdekken die interageren met TRPV5 om nierstenen te behandelen en te voorkomen in risicopopulaties. Het team publiceerde hun bevindingen in Natuurcommunicatie .

Onder leiding van Vera Moiseenkova-Bell, doctoraat, een universitair hoofddocent Systeemfarmacologie en Translationele Therapeutica, het team maakte een beeld van het TRPV5-ionkanaaleiwit in zowel een open als een gesloten toestand. Alle cellen hebben kanalen in hun buitenmembranen die de stroom van kleine ionen zoals natrium, potassium, of kalk. Deze tweerichtingsbeweging helpt bij veel rollen, bijvoorbeeld, het opwekken van een immuunrespons, communicatie tussen hersencellen, en filtering door de nieren.

Bijna 99 procent van het calcium wordt geresorbeerd door niertubuli, en TRPV5 wordt alleen gemaakt in de cellen die de tubuli bekleden waar het calciumgehalte in de urine wordt gehandhaafd. De meeste nierstenen bevatten calcium, en te veel calcium in de urine maakt mensen vatbaar voor de vorming van deze pijnlijke afzettingen.

Cryo-EM gebruikt een elektronenstraal om duizenden snapshots te maken van individuele bevroren eiwitmoleculen. Algoritmen combineren vervolgens de meerdere afbeeldingen om het algemene beeld van een moleculaire structuur te verscherpen. Met behulp van deze afbeeldingen, Moiseenkova-Bell, die ook directeur is van Penn's Beckman Center for Cryo-Electron Microscopy, en haar team onthulden de TRPV5-structuur om vragen te beantwoorden over de fysiologische rol van het eiwit bij ziekte.

"We konden zien, Voor de eerste keer, hoe dit eiwit opent door membraanlipiden te activeren, " zei co-eerste auteur Taylor Hughes, een afgestudeerde student in het laboratorium van Moiseenkova-Bell. "Veel eiwitten worden op een vergelijkbare manier gereguleerd, dus onze structuur legt de basis voor het begrijpen van dit proces in andere omgevingen."

Postdoctoraal fellow en co-eerste auteur Ruth Pumroy, doctoraat, voegt eraan toe dat het team ook de structuur van een gesloten kanaal ontdekte in de aanwezigheid van een eiwit genaamd calmoduline, die de porie van het kanaal direct afsluit zonder de porie te laten bewegen. "Dit onthulde een uniek mechanisme van TRPV5-remming dat nuttig zou kunnen zijn voor het vinden van nieuwe bindingspartners en het ontdekken van geneesmiddelen, ' zei Pumroy.

Rutgers co-auteur Tibor Rohacs en co-eerste auteur Aysenur Yazici, een afgestudeerde student in zijn lab, geverifieerde voorspellingen van hoe het kanaal werkt door individuele aminozuren in de TRPV5-structuur te veranderen om te zien of de calciumstroom door het veranderde kanaal zou verschillen. Wanneer aminozuren in contact met een lipide in de TPRV5-structuur werden gewijzigd, TRPV5 stond niet toe dat calcium de cel instroomde. Toen een ander TPRV5-aminozuur in het kanaal werd veranderd, het remmende effect van calmoduline verdween. De medewerkers van Temple gebruikten geavanceerde computerprogramma's om de bevindingen verder te valideren.