Ze sluiten epitheelcellen af ​​en laten onder bepaalde omstandigheden de doorgang van ionen en water toe:nauwe verbindingen vormen een paracellulaire barrière in weefsels en hun disfunctie wordt geassocieerd met ziekten. Hoewel hun moleculaire componenten al sinds de jaren negentig bekend zijn, is het niet duidelijk hoe de 26 eiwitten die claudines worden genoemd, zijn georganiseerd.

Wetenschappers van het Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) hebben nu diep inzicht gekregen in de structuur van tight junctions, met behulp van superresolutie gestimuleerde emissiedepletie (STED) microscopie. Het is de eerste keer dat het basismechanisme dat ten grondslag ligt aan alle epitheliale barrière-eigenschappen is beschreven.

Tight junctions (TJ) zijn normaal gesproken uitstekend in het mogelijk maken van de doorgang van noodzakelijke ionen of moleculen, terwijl ze een dichte barrière vormen om te voorkomen dat ongewenste bacteriën en hun toxines het lichaam binnendringen. Deze paracellulaire barrières, die tegelijkertijd selectieve ion- en waterkanalen kunnen zijn, worden overal gevonden waar epitheelcellen of endotheelcellen elkaar ontmoeten, d.w.z. waar verschillende weefsels met elkaar zijn verbonden of wanneer het lumen van een orgaan moet worden afgesloten van de bloedstroom.

Het bestaan ​​van tight junctions werd zo'n 60 jaar geleden ontdekt en hun belangrijkste moleculaire componenten zijn al 30 jaar bekend:26 membraaneiwitten die claudins worden genoemd. Afhankelijk van de cel zijn claudins georganiseerd in verschillende constellaties om semi-permeabele mazen te vormen tot enkele honderden nanometers breed. Meestal komen meerdere claudines samen, maar sommige barrières bestaan ​​uit slechts een of twee structurele eiwitten.

Maar de vraag is, hoe zijn claudins georganiseerd om verschillende barrière-eigenschappen te creëren, afhankelijk van de cel of het weefsel in kwestie? En in hoeverre zijn claudins daarbij van elkaar afhankelijk? Tot nu toe zijn deze vragen onbeantwoord gebleven omdat het onmogelijk was om door de structuur van strengen te kijken, die slechts ongeveer tien nanometer dik zijn. Nu zijn wetenschappers van de FMP erin geslaagd om dat te doen met behulp van STED-microscopie.

"Dit type superresolutiemicroscopie en een uitstekend team van celbiologen, computerwetenschappers en fysiologen hebben ons geholpen om licht te werpen op de moleculaire architectuur van tight junctions", zegt Dr. Martin Lehmann, hoofd van de Cellular Imaging Group laatste auteur van de studie. "We zijn nu voor het eerst in staat om het mechanisme te beschrijven dat ten grondslag ligt aan de belangrijkste epitheliale barrière-eigenschappen."

STED gebruiken om enkelvoudige meshworks op te lossen

Normaal gesproken is de resolutie van fluorescentiemicroscopen beperkt tot ongeveer 250 nanometer. Met STED-microscopie is 50 nanometer of minder mogelijk. Dit gaf de onderzoekers letterlijk meer inzicht.

"Met standaard fluorescentiemicroscopie zouden we nooit de dichte organisatie van de tight junction zijn binnengedrongen, maar STED heeft ons in staat gesteld om de individuele mazen van het netwerk op te lossen. Als resultaat zijn we nu in staat om de exacte positie van eiwitten te bepalen, zoals en om te zien of claudins zich vermengen of scheiden, en hoe ze segregeren", zegt Hannes Gonschior, de eerste auteur van de studie, die zijn Ph.D. scriptie over het onderwerp op de FMP. "Deze organisatie op nanoschaal was voorheen onbekend."

Eerst werden de onderzoeken uitgevoerd op cellulair niveau en vervolgens in darm- en nierweefsel van muizen. Opvallende afbeeldingen reproduceerden de fluorescerend gelabelde eiwitten in verschillende kleuren, en lieten zien waar welke eiwitten zich bevinden en hoe ze aan elkaar vasthaken om een ​​kleurrijke rits te vormen.

Drie bevindingen uit het onderzoek, nu gepubliceerd in Nature Communications , zijn van bijzonder belang:

• Ten eerste:Claudins sluiten intercellulaire ruimten af ​​voor ionen en kleine moleculen, net als een rits. Deze afdichtingen zijn selectief ion-permeabel, afhankelijk van het weefsel en de samenstelling van de tight junction.
• Ten tweede:een op de twee claudins kan niet in strengen polymeriseren. Ze zijn afhankelijk van andere teamleden om een ​​nauwe kruising te vormen en te "functionaliseren".
• Ten derde:Claudins werken met elkaar samen in vijf organisatieprincipes. Dit betekent dat er vijf verschillende manieren zijn waarop ze kunnen vermengen of scheiden.

Model maken voor medicijnontdekking

Het feit dat FMP-onderzoekers voor het eerst de organisatie van nauwe kruispunten op nanoschaal hebben kunnen bepalen, is een groot succes voor fundamenteel onderzoek. Maar ook de geneeskunde kan profiteren van de doorbraak. Dit komt omdat mutaties in claudines een rol spelen bij een aantal erfelijke ziekten, waarvan de meest voor de hand liggende het HELIX-syndroom is - een zeldzame aandoening die verminderde zweetproductie veroorzaakt.

Een mutatie in claudine 10b is de boosdoener, die hypohidrose en traan- en speekselklierdefecten veroorzaakt, evenals een verminderde calcium- en magnesiumregulatie in de nier. Het team van onderzoekers had ook geëxperimenteerd met deze ziektemutant.

"Ons onderzoek is nog lang niet klinisch relevant", verklaarde biofysicus Martin Lehmann, die hun bevindingen beoordeelde. "Maar nu begrijpen we tenminste hoe deze netwerken zijn gestructureerd. Dit is de eerste stap, die ons in staat zal stellen om te zoeken naar kleine moleculen die deze barrières openen of sluiten."

Celbioloog Hannes Gonschior voegde eraan toe dat ze "een vereenvoudigd model voor het ontdekken van geneesmiddelen hebben gevonden en, meer in het algemeen, onderzoek hebben gedaan naar de paracellulaire passage van ionen. Het is zeer waarschijnlijk dat onze bevindingen ons in staat zullen stellen om voorheen onverklaarde klinische fenotypes en symptomen te begrijpen - met een defect in een van deze specifieke paracellulaire barrières." + Verder verkennen

De kloof dichten:een tweeledig mechanisme voor epitheliale barrière