Wissenschaftler entdecken die Grundlagen von, wie Druck-sensing Piezo-Proteine funktionieren

Ein team von Wissenschaftlern aus Weill Cornell-Medizin-und Der Rockefeller-Universität beleuchtet den grundlegenden Mechanismus der Piezo-Proteine, die die Funktion von sensoren im Körper, die für mechanische Reize, wie berühren, Blase fülle, und der Blutdruck. Die Entdeckung ist ein Meisterstück der grundlegenden Wissenschaft, die auch eröffnet viele neue Wege in der Untersuchung der Rollen von Piezo-Proteine in menschlichen Krankheiten und mögliche neue therapeutische Strategien.

In der Studie, veröffentlicht Aug. 21 in der Natur, die Wissenschaftler fortgeschrittene Mikroskopie-Techniken, um Bild die Piezo1-protein in den Pausen und während der Anwendung der mechanischen Kräfte. Sie bestätigt diese komplexe Proteinstruktur und zeigte im wesentlichen, wie es kann, wandelt die mechanische Reize in ein elektrisches signal.

„Unsere Analyse zeigt, dass die Spannung über die Zellmembran in die Piezo1 eingebettet ist, können reduzieren und erweitern der Proteinstruktur“, sagte co-senior-Autor Dr. Simon Scheuring, ein professor der Physiologie und der Biophysik in der Anästhesiologie am Weill Cornell Medizin. Dr. Scheuring und seinem Labor arbeitete auf der Studie mit dem Labor von Dr. Roderick MacKinnon, Professorin für molekulare Neurobiologie und Biophysik an Der Rockefeller University. Dr. MacKinnon war co-Empfänger der Nobelpreis für Chemie im Jahr 2003 für seine Arbeit die Bestimmung der Strukturen und Mechanismen von Ionen-Kanal-Proteine.

Piezo1 und Piezo2 sind sehr große und komplexe Proteine mit einzigartigen Strukturen. Sie sind eingebettet in den Membranen von bestimmten Zelltypen und deren Funktion ist zu transduce mechanische Kraft, die auf Zellen in elektrische Signale verändern-Zell-Aktivität. Piezo1 Proteine arbeiten zum Beispiel in der Blase-Zellen zu detektieren, wenn die Blase voll ist, und im Blutgefäß-Futter Zellen zu erkennen und zu helfen, regulieren die Veränderungen im Blutdruck. Piezo2-Proteine funktionieren in der sensorischen Nervenendigungen in der Haut und Gelenke, hilft, Sie zu vermitteln und die Sinne für Berührung, Schmerz und Propriozeption-das Gefühl, wie einem die Gliedmaßen angeordnet sind.

Fortschritte in der imaging-Techniken aktiviert haben Wissenschaftler in den letzten Jahren, um zu bestimmen, die grundlegende Struktur von Piezo1 — eine Struktur, Piezo2 ist gedacht, um meist zu teilen. Von oben hat diese Struktur eine drei-bewaffnete -, propeller-oder „triskelion“ Aussehen.

Von der Seite sieht es aus wie eine flache Schüssel in die Zellmembran eingebettet, mit einem Ionen-Kanal in der Mitte. Die letztere, wenn Sie geöffnet, erlaubt eine Strömung von Kalzium und andere positiv geladene Ionen in die Zelle.

Der grundlegende Mechanismus, durch den die mechanische Kraft, öffnet den Ionenkanal blieb geheimnisvoll. Aber in der neuen Studie, Dr. Scheuring und Dr. MacKinnon und seine Kollegen, darunter lead-Autor Dr. Yi-Chih Lin, ein Postdoktorand in der Anästhesiologie, waren in der Lage zu bekommen ein klareres Bild davon, wie es funktioniert.

Sie kombinierte Kryo-Elektronenmikroskopie mit einer weniger bekannten Technik namens high-speed atomic force microscopy, erzeugt ein Bild eines Objekts im wesentlichen durch das Gefühl seiner Oberfläche mit einem super-empfindlichen mechanischen Sonde. Sie zeigten mit diesen Methoden, dass Piezo1 ist eine widerstandsfähige Struktur, die normalerweise beugt sich die Zellmembran, wo es sitzt, aber abflachen, wenn, zum Beispiel, eine mechanische Kraft angewendet wird, um die Zellmembran.

„Als die Membran-Spannung erhöht, die Struktur von Piezo1 flacher und dehnt sich aus zu besetzen, um eine größere Fläche, was wiederum öffnet sich der Ionenkanal,“ Dr. Scheuring sagte.

Er verwies auf die Möglichkeit, dass andere Reize, die sich dehnen und glätten die Piezo1-Struktur, wie eine ziehende Kraft auf seine Arme, von innen oder über eine externe domain-namens CED von außerhalb der Zelle kann im Prinzip öffnen Sie den Ionen-Kanal-und damit eine entsprechend vielseitige Mechanismus für die Breite Palette von Zelltypen und physiologische Funktionen, in denen es funktioniert.

Angesichts dieser Vielzahl von Zelltypen-in Organe, einschließlich der Lungen -, Blasen -, Darm -, und Pankreas, sowie in die Blutgefäße und das sensorische Nervensystem — die Entdeckung der grundlegenden Piezo-protein-Mechanismus könnte neue Möglichkeiten des Verständnisses und der Behandlung von vielen Krankheiten. Um ein Beispiel zu nehmen, Dr. Scheuring, sagte, wenn die Membranen von Zellen, die Auskleidung der Blutgefäße enthalten überschüssiges Cholesterin, würden Sie steifer sind, die Erhöhung der hintergrund Spannung auf eingebetteten Piezo-1-Proteine und möglicherweise stören diese Proteine‘ normale Fähigkeit zu erkennen und zu helfen, den Blutdruck zu regulieren.

„Unsere Suche führt zu einer Vielzahl von Vorhersagen über Piezo-Proteine Rollen in der Krankheit, die wir und andere können jetzt gehen und zu untersuchen,“ sagte er.