3-D atomstruktur af TRPML1 ionkanal offentliggjort

Forskere fra UT Southwestern Medical Center har i dag offentliggjort en 3-D atomstruktur af ionkanalen fundet i pattedyr, der er impliceret i en sjælden, arvelig neurodegenerativ sygdom hos mennesker. Værket markerer den første struktur af denne art, der er bestemt ved hjælp af universitetets $17 millioner kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) facilitet, der åbnede sidste år.

I cryo-EM, prøver fryses hurtigt for at forhindre dannelsen af ​​skadelige iskrystaller og ses derefter ved minus 321 grader Fahrenheit (kryogene temperaturer). UT Southwesterns anlæg - som kører døgnet rundt - er et af verdens bedste faciliteter til kryo-EM strukturel biologi.

Det tværfaglige team løste strukturen af ​​musens TRPML1 (transient receptor potential mucolipin 1) ionkanal.

Deres studie, udgivet online af Natur , kommer blot en uge efter, at tre udviklere af cryo-EM-teknologi blev anerkendt med 2017 Nobelprisen i kemi for deres arbejde med de instrumenter og metoder, der udløste "opløsningsrevolutionen". Cryo-EM muliggør visninger af proteiner på atomniveau, der modstår den krystallisering, der er nødvendig for traditionel røntgenkrystallografi.

"Fungerende ionkanaler er nødvendige for den korrekte bevægelse af elektrisk ladede partikler - ioner - ind og ud af celler og organeller for at køre cellulære processer, " sagde Dr. Youxing Jiang, professor i fysiologi og biofysik, en efterforsker ved Howard Hughes Medical Institute (HHMI), og co-korresponderende forfatter til undersøgelsen.

TRPML1-kanalen, som regulerer strømmen af ​​calciumioner, findes i alle pattedyr. Kanalen sidder i membranen af ​​organeller inde i celler kaldet lysosomer, som indeholder enzymer, der hjælper med cellulær genbrug ved at nedbryde store molekyler.

Omkring 50 lysosomale lagringssygdomme (LSD'er) er blevet identificeret hos mennesker, inklusive en klasse af LSD'er forårsaget af tab af funktionsmutationer i gener, der styrer TRPML1-kanalerne. Denne LSD, kaldet mucolipidose type IV, er præget af forsinket udvikling af mentale og motoriske færdigheder og synsnedsættelse, ifølge National Institutes of Health.

"På grund af dens forbindelse til den klasse af lysosomale lagringssygdomme, TRPML1 har været et potentielt mål for små molekyle terapeutiske midler, og flere potentielle agonister (kanalåbnere) er blevet udviklet, " sagde Dr. Jiang, en W.W. Caruth, Jr. stipendiat i biomedicinsk forskning. Bestemmelse af TRPML1's struktur kan hjælpe i søgningen efter behandlinger for mucolipidose type IV, han sagde.

UT Southwesterns cryo-EM-anlæg huser tre højteknologiske instrumenter, inklusive en 12½ fod høj, 2-tons Titan Krios, der skyder en kraftig stråle gennem hver prøve, mens et specielt kamera fanger billeder af de spredte elektroner, der resulterer. En robotarm inde i maskinen kan holde og præcist flytte et dusin flash-frosne prøver på en automatiseret måde, så tusindvis af billeder kan optages, behandles via computere, og fortolket til at generere 3-D billeder til undersøgelse, forklarede forskerne.

En anden forskel i denne undersøgelse er den vellykkede brug af en relativt ny prøveforberedelsesteknik:indlejring af proteinet af interesse i en nanodisk struktur lavet af lipider og andre biologiske materialer. Hovedforfatter Dr. Qingfeng Chen, en postdoc-forsker i Jiang-laboratoriet, oprettet prøven.

"I lang tid, vaskemiddel er blevet brugt til at udvinde proteiner fra membraner til undersøgelse. Folk har foreslået, at vaskemiddel kan ændre proteinstrukturen fra dens oprindelige tilstand, " sagde Dr. Xiaochen Bai, en adjunkt i biofysik og cellebiologi og undersøgelsens anden tilsvarende forfatter. "Membranproteiner, som dem vi studerede, er normalt pakket ind i lipider. Nanodiscs bruges til at give et naturligt miljø for proteinprøven."

Dr. Bai har specialiseret sig i den sofistikerede software, der bruges til at afsløre organiseringen af ​​individuelle atomer i hver partikel. Han blev rekrutteret til UT Southwestern som Cancer Prevention and Research Institute of Texas (CPRIT) Scholar og Virginia Murchison Linthicum Scholar i medicinsk forskning efter fem års uddannelse på MRC Laboratory of Molecular Biology i Cambridge, U.K.

Arbejder i et team, der udvikler, hvad der er blevet et af de bedste softwareprogrammer til behandling af billeddata genereret af elektronmikroskopi, Dr. Bai havde mange samtaler med Dr. Richard Henderson, en af ​​tre videnskabsmænd tildelte Nobelprisen i kemi i sidste uge.

"Han brugte dag og nat i laboratoriet på at arbejde med metodeudvikling til cryo-EM. Et af hans store bidrag var udviklingen af ​​en ny type kamera til at tage bedre billeder af de proteiner, der blev undersøgt med cryo-EM. " sagde Dr. Bai. "Da jeg først flyttede til England, han gav mig en masse vejledning og støtte, og vi havde mange diskussioner om cryo-EM-teknikker."