Zoom ind på protein for at forhindre nyresten

Forskere har anvendt Nobelprisvindende mikroskopteknologi til at afdække en ionkanalstruktur, der kan føre til nye behandlinger for nyresten. I en nylig undersøgelse offentliggjort i Naturens strukturelle og molekylære biologi , forskere afslørede detaljer på atomniveau af proteinet, der fungerer som en passage for calcium gennem nyrecellemembraner.

Cirka 80 procent af nyresten består af calciumsalte. De er ekstremt smertefulde at passere, og afhængigt af størrelse og placering kan det kræve operation for at fjerne. Ionkanaler, der spænder over nyrecellemembraner, hjælper med at reabsorbere calcium fra urinen, før det kan danne nyresten. Den nye undersøgelse er den første, der viser molekylære detaljer om den essentielle nyre-calciumkanal, kaldet TRPV5, i sin lukkede form. Undersøgelsen afslører også, hvordan inhibitormolekyler binder sig til og lukker kanalen, efterlader calcium strandet i urinen, hvor det kan danne nyresten.

"Nu hvor vi ved, hvordan proteinet ser ud i sin hæmmede tilstand, lægemidler kan fremstilles med den hensigt at modulere TRPV5-aktivitet og potentielt behandle nyresten direkte, " sagde den første forfatter Taylor Hughes, Ph.d.-kandidat ved Institut for Farmakologi ved Case Western Reserve University School of Medicine.

I den nye undersøgelse, Hughes og kolleger brugte en teknik kaldet kryo-elektronmikroskopi - der vandt 2017 Nobelprisen i kemi - for at se kanin TRPV5 knyttet til dets inhibitormolekyle, econazol. Kryo-elektronmikroskopi gjorde det muligt for forskerne at zoome ind og se proteinstrukturer i atomare detaljer. Fra det nye udsigtspunkt kunne de identificere forskellige proteinregioner, inklusive den del, der krydser nyrecellemembraner, og bindingssteder for molekyler som econazol.

"Når man udfører kryo-elektronmikroskopi, vi skyder elektroner mod vores frosne protein, og det giver os mulighed for at tage billeder af individuelle proteinmolekyler. Med disse billeder og avanceret computersoftware er vi i stand til at skabe 3D-modeller af disse molekyler. Disse 3D-modeller har potentialet til at være så præcise, at vi faktisk kan se de atomer, der udgør proteinet, "forklarede Hughes.

3D-modellerne hjalp forskerne med at forudsige, hvordan TRPV5 åbner og lukker for første gang. "For at forstå, hvordan et protein bevæger sig, har vi brug for flere strukturer for at sammenligne med hinanden, " sagde Hughes. "Vi var i stand til at drage konklusioner om virkningsmekanismerne ved at sammenligne vores inhibitor-bundne struktur med en tidligere offentliggjort TRPV6-struktur løst uden en inhibitor. TRPV5 og TRPV6 er en del af den samme underfamilie af proteiner og meget ens i sekvens såvel som struktur." Den nye forskning bygger på eksperimenter udført af Tibor Rohacs, MD, PhD, ved Rutgers New Jersey Medical School og beregninger af Marta Filizola, PhD ved Icahn School of Medicine ved Sinai-bjerget.

Forskerne så TRPV5-econazol-komplekser under det 12-fod høje kryo-elektronmikroskop, der er anbragt på Electron Imaging Center for NanoMachines i California NanoSystems Institute ved University of California Los Angeles. Vera Moiseenkova-Bell, PhD, seniorforfatter på undersøgelsen, har adgang til denne facilitet som medlem af West/Midwest-konsortiet for højopløselig kryo-elektronmikroskopi støttet af National Institutes of Health. Undersøgelsen samlede også andre forskere fra Case Western Reserve University, University of California Los Angeles, Rutgers University, Icahn School of Medicine ved Sinai-bjerget, og Pfizer. Moiseenkova-Bell er en Mount Sinai Scholar og tidligere lektor i farmakologi ved Case Western Reserve University School of Medicine.

"Denne publikation er første gang, strukturen i TRPV5 er blevet løst. Nu, strukturer for fire af de seks TRPV-underfamiliemedlemmer er tilgængelige i nær-atomær opløsning til yderligere videnskabelig undersøgelse, " sagde Hughes. Ifølge forskerne, fremtidige undersøgelser kunne omfatte målrettede terapier til at modulere proteinkanalerne hos mennesker, der lider af nyresten.