Biofysici van het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie en de Universiteit van Groningen in Nederland hebben een bijna volledige transportcyclus van de zoogdierglutamaattransporter-homoloog uit archaea gevisualiseerd. Ze bevestigden dat het transportmechanisme lijkt op dat van een lift:een "deur" gaat open, ionen en substraatmoleculen komen binnen, de deur gaat dicht, en ze reizen door het membraan. Vermoedelijk werken de zoogdiertransporters op dezelfde manier, dus deze ontdekking is potentieel belangrijk voor het ontwikkelen van nieuwe behandelingen voor schizofrenie en andere psychische aandoeningen die worden veroorzaakt door het slecht functioneren van deze transporters. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Zenuwimpulsen reizen door het menselijk lichaam in de vorm van chemische signalen of elektrische ladingen, als ionenstromen. neuronen, de cellen van het zenuwstelsel, elektrische signalen kan genereren en verspreiden. Een neuron bestaat uit een cellichaam met uitsteeksels van twee typen:meerdere dendrieten en een enkel axon. Het cellichaam en de dendrieten dienen als een antenne die signalen van andere neuronen oppikt. Door alle ingangssignalen op te tellen en te verwerken, het neuron genereert zijn eigen impulsen die vervolgens worden doorgegeven aan het naburige neuron. De elektrische impuls in een axon is vergelijkbaar met de elektrische stroom in draden, maar het wordt gedragen door natrium- en calciumionen, in plaats van elektronen. Dat gezegd hebbende, elektrische signaaloverdracht is alleen mogelijk binnen een neuron. De signalen die tussen neuronen worden verzonden, zijn van chemische aard en hebben betrekking op speciale structuren, synapsen genoemd.

Het signaal in een synaps wordt meestal gedragen door chemicaliën die neurotransmitters worden genoemd. Een neuron geeft neurotransmitters af in de synapsspleet, en het membraan van het ontvangende neuron herkent de neurotransmitter via een speciale receptor.

Een andere verborgen maar essentiële fase in dit proces is dat de neurotransmittermoleculen uit de synaptische spleet moeten worden verwijderd om de volgende pulstransmissie mogelijk te maken. Anders, het ontvangende neuron wordt overgestimuleerd. Neurotransmitters worden opgeruimd door speciale transporters die deze moleculen vanuit de synaptische spleet terug in het cellichaam pompen. Deze transporters bevinden zich ofwel in de synapsen van neuronen of in de zogenaamde gliacellen, die neuronen ondersteunen en beschermen (fig. 1).

Glutamaat is de belangrijkste prikkelende neurotransmitter in het menselijk brein. Wanneer glutamaat vrijkomt in de synapsspleet, dit prikkelt het volgende neuron in de reeks. Het menselijk zenuwstelsel heeft ook remmende neurotransmitters, bijvoorbeeld GABA (gamma-aminoboterzuur), die elk potentieel in het neuron uitdooft wanneer het wordt vrijgegeven.

De glutamaattransporter ruimt glutamaat op uit de synapsspleet. Dit proces is cruciaal voor het functioneren van het menselijk brein. De remming van glutamaatverwijdering uit de spleet is gekoppeld aan veel neurodegeneratieve ziekten en psychische stoornissen, waaronder schizofrenie.

Heel vaak kunnen we veel over iemand leren door alleen maar naar hun familieleden te kijken. Hetzelfde geldt voor evolutionair vergelijkbare eiwitten, homologen genoemd. De groep Russische en Nederlandse wetenschappers heeft een conformationeel ensemble van de aspartaattransporter uit archaea, die homoloog is aan de glutamaattransporters bij mensen.

Tot voor kort, Röntgenkristallografie was de belangrijkste techniek voor het bestuderen van de 3D-structuren van eiwitten. De belangrijkste uitdaging voor die methode is het kristalliseren van eiwitten om diffractiebeelden van kristallen te verkrijgen. Membraaneiwitten hebben de neiging niet gemakkelijk goed-diffracterende kristallen te vormen.

Om dit knelpunt te overwinnen, een andere techniek genaamd cryo-elektronenmicroscopie kan worden gebruikt. Bij cryo-EM wordt een verglaasd monster bestraald met een elektronenstraal en worden de verzamelde beelden gecombineerd, wat een driedimensionale reconstructie van het eiwit oplevert. Het verkregen model wordt geanalyseerd en kan worden gebruikt om nieuwe medicijnen te ontwerpen.

De structuur van de homoloog van de glutamaattransporter van zoogdieren werd bepaald met behulp van een cryo-elektronenmicroscoop aan de Universiteit van Groningen in Nederland. Deze eiwitten bestaan ​​uit drie afzonderlijke moleculen, vandaar dat ze trimeren vormen. Elke individuele protomeer bestaat uit twee delen:het immobiele deel vast in het membraan en het mobiele transportdomein dat lijkt op een lift. De studie heeft 15 protomeerstructuren onthuld (in vijf trimeren), inclusief tussenliggende conformaties. Het team bevestigde ook onafhankelijke bewegingen van transportdomeinen.

"Deze structuren helpen ons uit te leggen hoe deze eiwitten natriumlekkage voorkomen, " het hoofd van het MIPT-laboratorium voor structurele elektronenmicroscopie van biologische systemen, Albert Guskov uitgelegd. "Net als in een lift, het vervoersdomein heeft een deur, en zolang het open blijft, de lift zal niet bewegen. Maar zodra de natriumionen en het substraat, in dit geval, de aspartaatmoleculen — ga de lift in, de deur gaat dicht, en weg is het. Dus, als er alleen natriumionen aanwezig zijn, dit is niet genoeg om de deur te sluiten."

"Dit maakt het transport zeer efficiënt, wat vooral belangrijk is in het geval van menselijke eiwitten, omdat het niet alleen gaat om het opeten van aspartaat - zoals in archaea - maar om informatieoverdracht tussen neuronen, ’ voegde de wetenschapper eraan toe.

Het laboratorium voor structurele elektronenmicroscopie van biologische systemen, onder leiding van professor Guskov, zet een moderne wetenschappelijke infrastructuur op bij MIPT, waardoor het volledige cyclusonderzoek naar single-particle cryo-EM in Rusland mogelijk wordt. in 2019, het team lanceerde een onderzoeksplatform op basis van de cryo-elektronenmicroscoop FEI Polara G2 met verdere plannen om het te upgraden naar de ultramoderne microscoop.

"Er is veel vraag naar de competenties van het laboratorium in de Russische wetenschappelijke gemeenschap, en het groeiende internationale academische netwerk maakt de toegang tot moderne wetenschappelijke infrastructuur mogelijk. Een dergelijke infrastructuur opent nieuwe mogelijkheden voor het bestuderen van de fundamentele vragen van de biologie, zoals de mechanismen van functies van ionenkanalen en transporters, interacties binnen eiwitcomplexen, enz. Het helpt ons ook industriële partners te vinden die onderzoek zouden doen naar de toepassing van onze bevindingen in het ontwerpen van geneesmiddelen en elders in de geneeskunde, ' merkte professor Guskov op.