Najważniejsze
- •Badacze z Berlina po raz pierwszy opisali w natywnej błonie komórkowej strukturę 3D kanału wapniowego RyR1 oraz mechanizm jego otwierania.
- •Do badania wykorzystano zaawansowaną mikroskopię krio-elektroniczną i krio-tomografię bez użycia niszczących strukturę detergentów.
- •Zaobserwowano mechanizm sprzężonego bramkowania – ruch jednego kanału wymusza obrót i otwarcie sąsiedniego białka, podwajając średnicę pory.
- •Odkrycie potwiedza hipotezę sprzed 30 lat i otwiera drogę do opracowania nowych leków na rzadkie choroby genetyczne (np. hipertermię złośliwą), choć proces ten zajmie co najmniej 8–10 lat.
Naukowcy z Berlina opisali na łamach czasopisma „Nature Communications” trójwymiarową strukturę oraz mechanizm otwierania kanałów wapniowych RyR1 w ich natywnej błonie komórkowej.
Zespół naukowców z Max Delbrück Center oraz Charité w Berlinie opisał na łamach czasopisma „Nature Communications” trójwymiarową strukturę i mechanizm otwierania kanałów wapniowych RyR1 w ich natywnej błonie komórkowej. Głównym autorem publikacji jest dr Vasilii Mikirtumov, a pracami zespołu kierował prof. Misha Kudryashev. Odkrycie szczegółowo wyjaśnia, jak białka te współpracują ze sobą podczas skurczu mięśni.
Aby uzyskać obrazy o wysokiej rozdzielczości, naukowcy wykorzystali tkankę mięśniową wyizolowaną z królików. Zespół zastosował metody mikroskopii krioelektronicznej oraz kriotomografii. Technologia ta umożliwiła przeanalizowanie białek bezpośrednio w natywnej błonie komórkowej retikulum sarkoplazmatycznego, bez konieczności użycia detergentów, które w dotychczasowych badaniach niszczyły strukturę cząsteczek. Pomiary przeprowadzono w ośrodku Core Facility CFcryo-EM – platformie badawczej prowadzonej wspólnie przez Max Delbrück Center, Charité – Universitätsmedizin Berlin oraz Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie. Instytut Max Delbrück Center jest finansowany w 90% z niemieckiego budżetu federalnego i w 10% z budżetu kraju związkowego Berlin.
Mechanizm sprzężonego bramkowania
Podczas analizy zespół badawczy zarejestrował sześć stadiów otwarcia pojedynczego kanału RyR1 oraz pięć stadiów otwarcia dla par sąsiadujących ze sobą cząsteczek. Obserwacja ta potwierdziła, że ruch mechaniczny jednego kanału wymusza obrót i otwarcie sąsiedniego białka. Zjawisko to opisano jako mechanizm sprzężonego bramkowania. Wyniki wykazały również, że obrót zewnętrznej części białka dwukrotnie zwiększa średnicę pory kanału w porównaniu ze stanem spoczynkowym.
Znaczenie dla leczenia rzadkich chorób
Hipotezę sprzężonego bramkowania sformułowano prawie 30 lat temu, jednak brak odpowiednich technik obrazowania uniemożliwiał dotąd jej doświadczalną weryfikację. W organizmie kanały RyR1 odpowiadają za kontrolowany wyrzut jonów wapnia, co stanowi warunek konieczny do wystąpienia skurczu mięśni. Mutacje w genie kodującym receptory RyR1 prowadzą do rozwoju rzadkich i zagrażających życiu schorzeń genetycznych, takich jak hipertermia złośliwa czy miopatie wrodzone.
Przedstawione wyniki mają charakter podstawowych badań in vitro przeprowadzonych na modelu zwierzęcym. Opisanie struktury białka wskazuje potencjalne miejsca uchwytu dla nowych cząsteczek leczniczych, jednak opracowanie bezpiecznych terapii dla ludzi będzie wymagać jeszcze co najmniej 8–10 lat dalszych prac przedklinicznych i klinicznych.
Metodologia i organizacja badań nad strukturą kanału RyR1
| Parametr | Szczegóły / Wartość |
|---|---|
| Model badawczy | Tkanka mięśniowa królików (in vitro) |
| Technika obrazowania | Mikroskopia krio-elektroniczna (cryo-EM) i krio-tomografia |
| Środowisko białka | Natywna błona retikulum sarkoplazmatycznego (bez detergentów) |
| Miejsce pomiarów | Core Facility CFcryo-EM (Berlin) |
| Struktura finansowania MDC | 90% budżet federalny Niemiec, 10% budżet kraju związkowego Berlin |
Źródło: Max Delbrück Center / Nature Communications
Kluczowe parametry i odkrycia dotyczące kanału RyR1
Opracowanie własne na podstawie Nature Communications / MDC Berlin
Słownik pojęć
- RyR1
- Receptor ryanodynowy typu 1; kanał wapniowy znajdujący się w błonie retikulum sarkoplazmatycznego mięśni szkieletowych, odpowiedzialny za kontrolowany wyrzut jonów Ca2+ inicjujący skurcz mięśnia.
- Retikulum sarkoplazmatyczne
- Wyspecjalizowana sieć śródplazmatyczna w komórkach mięśniowych, służąca jako magazyn jonów wapnia niezbędnych do skurczu.
- Sprzężone bramkowanie (coupled gating)
- Zjawisko, w którym ruch mechaniczny i otwarcie jednego kanału jonowego bezpośrednio wymusza zmianę konformacyjną i otwarcie sąsiedniego białka.
- Mikroskopia krio-elektroniczna (cryo-EM)
- Zaawansowana metoda mikroskopowa pozwalająca na badanie zamrożonych w stanie naturalnym cząsteczek biologicznych w rozdzielczości bliskiej atomowej.
- Hipertermia złośliwa
- Rzadka, zagrażająca życiu uwarunkowana genetycznie reakcja m.in. na niektóre leki znieczulające, spowodowana nieprawidłowym uwalnianiem wapnia z kanałów RyR1.
- Miopatie wrodzone
- Grupa wrodzonych chorób mięśni charakteryzująca się osłabieniem siły mięśniowej i nieprawidłowościami w budowie włókien mięśniowych, często wynikająca z mutacji genu RYR1.
