Ny cellemembranmodel kan være nøglen til at afdække nye proteinegenskaber

Cellemembranen, den væglignende grænse mellem cellens indre og dens ydre miljø, består primært af to slags biomolekyler:lipider og proteiner. Forskellige lipidarter pakker sig tæt sammen for at danne et dobbeltlag, eller "dobbeltlag, "membranens grundlæggende struktur, mens proteiner er indlejret i eller knyttet til dobbeltlaget.

Membranproteiner er ansvarlige for forskellige vigtige cellulære aktiviteter, og deres dysfunktion kan føre til alvorlige helbredsproblemer. At studere membranproteinstrukturer, og hvordan de opfører sig, vil hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå deres forbindelse til sygdomme og hjælpe med at udvikle terapeutika.

Et team af forskere ledet af Vanderbilt University har for nylig kastet lys over, hvordan membranproteiner kunne påvirkes af lipiderne omkring dem. Ved at udvikle en ny type membranmodel, forskerne var i stand til at vise, at et proteins form og adfærd kan ændres ved udsættelse for forskellige lipidsammensætninger.

Forskerne bekræftede den kunstige membrans struktur ved hjælp af røntgen- og neutronspredning ved Department of Energy's (DOE's) Brookhaven (BNL) og Oak Ridge National Laboratories (ORNL). Deres resultater blev offentliggjort i Journal of the American Chemical Society.

"Dette arbejde viste, at et protein kan ændre sig ganske dybt i forskellige membranlipidmiljøer, og vi tror, ​​at dette åbner et helt nyt forskningsområde, " sagde Charles Sanders, professor i biokemi ved Vanderbilt University og tilsvarende forfatter til det nye studie.

Lipidlayout og cellemembranmodeller

Cellemembraner er sammensat af en række forskellige lipidmolekyler. For nylig, undersøgelser har vist, at visse lipider i cellemembraner kan samles for at danne klynger, også kendt som flåder. Nogle forskere foreslår, at flåder kan bevæge sig gennem membranen og eksistere sammen med ugrupperede molekyler. "En lipidflåde er som en klik ved en fest, " sagde Sanders. "De kan flytte rundt på festen, men det er altid de samme mennesker, der taler til hinanden. "

Hans laboratorium undersøger, hvordan flåder kan påvirke membranproteiner og cellulære aktiviteter forbundet med dem. I det nye værk, Sanders og et team af forskere har skabt en syntetisk membran, der er i stand til at inkorporere rigelige mængder af to lipidmolekyler, der menes at udgøre flåder i cellemembraner:kolesterol og sphingomyelin. Deres tilgang involverede udvikling af skiveformede biologiske strukturer, kendt som biceller, der kan producere en forenklet model af en cellemembrans lipid-dobbeltlag.

"Kolesterol og sphingomyelin er allestedsnærværende i cellemembraner, men har ikke været til stede sammen i tidligere versioner af biceller, " sagde John Katsaras, en biofysiker og neutronspredende videnskabsmand ved ORNL og studere medforfatter. "Denne nye klasse af biceller har en lipidsammensætning, som vi mener er mere biologisk relevant."

Komplementære teknikker giver omfattende analyse

Efter at have udviklet bicellerne, forskerne brugte småvinklede neutron- og røntgenspredningsteknikker til præcist at bestemme materialets form og strukturelle organisation.

"Det er virkelig svært at bekræfte den faktiske morfologi af biceller. Lille-vinklet neutron og lille-vinkel røntgenspredning er de eneste måder at få en god overordnet karakterisering af disse partikler, " sagde James Hutchison, en Vanderbilt University forsker og studie medforfatter.

Holdet brugte et program med fælles adgang til spredning af neutroner med små vinkler og røntgenstråler, der gør det muligt for forskere mere bekvemt at anmode om stråletid ved Bio-SANS-instrumentet ved ORNLs High Flux Isotope Reactor (HFIR) og Bio-SAXS-instrumentet (LiX) ) hos BNL's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II).

Neutroner kan detektere lette elementer som brint, hvorimod røntgenstråler er mere følsomme over for tungere elementer, hvilket betyder, at hver spredningsteknik kan afsløre unikke oplysninger om det samme materiale. Ved at bruge begge metoder, forskerne byggede en mere præcis model af membransystemet.

"Neutron- og røntgenspredning er meget komplementære med hinanden, " sagde Shuo Qian, en neutronspredende videnskabsmand ved ORNL og studere medforfatter. "Sammen, disse teknikker var i stand til at give et fuldstændigt billede af bicellestrukturen."

Komplementære bicelle-målinger blev også udført ved hjælp af transmissionskryo-elektronmikroskopi ved Vanderbilt University.

Afdækning af nye proteinegenskaber

For at vurdere, hvordan den nye modelmembran kunne bruges til at forstå lipidsammensætning og membranproteinforhold, forskerne introducerede deres biceller til et velundersøgt proteinfragment, kaldet C99. Dette fragment udgør en region af et membranprotein kaldet amyloidprækursorprotein, som eksperter mener er forbundet med Alzheimers sygdom.

Ved hjælp af forskellige karakteriseringsmetoder, holdet påpegede forskelle i proteinfragmentets struktur og dynamik, når de blev indlejret i den nye membranmodel. Især de observerede, at C99-fragmenterne selv associerede med hinanden i områder, der ikke tidligere var blevet rapporteret i andre modelmembraner. Forskerne antager, at disse nyligt afdækkede bindingssteder kan spille en rolle i reguleringen af ​​andre proteininteraktioner med dette fragment.

Holdet sigter mod at køre yderligere eksperimenter for at bekræfte, om det nye bicelle-system har et lipid-flådemiljø. Forskere har allerede identificeret lipid-flådeegenskaber i kunstige vesikler, en sfærisk hul biologisk struktur, der er omsluttet af et lipid dobbeltlag, men ikke i andre små partikler, såsom biceller.

"Der er ingen kendt ikke-vesikel lille partikel, der har lipid flåde-lignende egenskaber, " sagde Hutchison. "Det ville være en slam dunk at bevise det."