Gli scienziati rivelano come la proteina sensoriale cambia forma con una risoluzione nanometrica – ScienceDaily

Nello studio, pubblicato in Natura il 16 agosto 2023, i ricercatori hanno caratterizzato la forma e la conformazione del sensore quando è incorporato nella membrana plasmatica della cellula, il suo ambiente di lavoro naturale.

Contrassegnando diverse regioni della proteina con molecole fluorescenti e misurando direttamente le distanze tra di esse, i ricercatori hanno dimostrato che PIEZO1 ha una conformazione espansa quando si trova nella membrana plasmatica, in contrasto con la conformazione contratta, simile a una coppa, prevista da precedenti cellule libere modelli strutturali. Questa scoperta strutturale potrebbe portare a future applicazioni di scoperta di farmaci, come lo screening di medicinali efficaci correlati a malattie associate a difetti congeniti di PIEZO1, come la displasia linfatica congenita autosomica recessiva e la xerocitosi ereditaria.

“I nostri risultati mostrano come l’ambiente cellulare può modellare la struttura di PIEZO1 e rivelare i movimenti molecolari di base alla base dell’attivazione del canale”, afferma l’autore senior Ardem Patapoutian, PhD, professore presso il Dorris Neuroscience Center presso Scripps Research e investigatore dell’Howard Hughes Medical Institute. Patapoutian ha ricevuto il premio Nobel 2021 per la fisiologia o la medicina per aver scoperto PIEZO1 e PIEZO2, i recettori critici che consentono alle cellule di rispondere agli stimoli meccanici.

Il team voleva risolvere una questione aperta: come fanno queste proteine ​​a convertire uno stimolo meccanico in un segnale elettrico, che è la valuta del sistema nervoso? Rispondere a questa domanda fornirebbe informazioni su ciò che causa il malfunzionamento dei recettori PIEZO in condizioni diverse.

PIEZO1 ha la forma di un’elica a tre pale e si ritiene che le sue pale siano i sensori primari della forza meccanica, quindi comprendere la loro struttura è fondamentale per capire come funziona il sensore. Tuttavia, i modelli precedenti basati sulla microscopia elettronica mancavano di informazioni su come sono strutturate le punte di queste lame. Inoltre, questi studi precedenti sono stati eseguiti su proteine ​​isolate e prive di membrana, il che significa che avevano una capacità limitata di prevedere la forma e il movimento di PIEZO1 nell’ambiente cellulare reale.

Per superare queste limitazioni, il team di Patapoutian ha utilizzato i microscopi MINFLUX e iPALM, che hanno catturato dettagli su scala nanometrica e hanno permesso al team di visualizzare singole molecole PIEZO1 nel contesto della membrana cellulare.

“La valutazione di PIEZO1 nel suo contesto cellulare è solo un esempio del potenziale della microscopia a super risoluzione, che potrebbe essere uno strumento di ricerca trasformativo per una varietà di programmi di ricerca qui alla Scripps Research”, afferma il coautore Scott Henderson, direttore dello Scripps Research. Research Core Microscopy Facility e professore presso il Dipartimento di Integrative Structural and Computational Biology.

I ricercatori hanno etichettato PIEZO1 con marcatori fluorescenti e hanno utilizzato i microscopi per visualizzare la proteina in diverse situazioni: a riposo, quando esposta a un inibitore chimico e quando attivata tramite lo stiramento della membrana cellulare.

Hanno scoperto che quando PIEZO1 non è esposto a stimoli meccanici, le sue lame riposano in una conformazione espansa. Ciò contrasta con i precedenti modelli strutturali privi di membrana: senza la presenza della membrana cellulare (che esercita una pressione di appiattimento sulle lame di PIEZO1), le lame si piegano in una conformazione più simile a una coppa.

“Nell’ambiente cellulare, PIEZO1 è in uno stato di equilibrio meccanico in cui le sollecitazioni della proteina sulla membrana e le sollecitazioni della membrana sulla proteina si traducono in un netto appiattimento del canale”, afferma Eric Mulhall, PhD, responsabile dello studio. primo autore e borsista post-dottorato nel laboratorio Patapoutian presso Scripps Research e l’Howard Hughes Medical Institute.

Quando i ricercatori hanno esposto PIEZO1 a una tossina della tarantola rosa cilena che inibisce la funzione del recettore alleviando le sollecitazioni esercitate dalla membrana, la proteina ha assunto la conformazione a coppa. Al contrario, quando hanno applicato uno stimolo meccanico allungando la membrana cellulare, le lamine della proteina si sono espanse ancora di più. Questo stesso stimolo meccanico ha provocato anche l’attivazione elettrica del canale. Insieme, questi risultati suggeriscono che la conformazione espansa facilita la trasmissione attiva di stimoli meccanici.

“Il grado di espansione della lama sembra essere correlato all’attivazione del canale”, afferma Mulhall. “Quando le pale sono molto collassate, il canale non è affatto attivo, ma quando sono più espanse o addirittura completamente piatte, il canale è molto attivo.”

L’analisi della singola molecola del team ha anche rivelato che le lame di PIEZO1 sono relativamente rigide alla base ma più flessibili alle estremità, il che ha implicazioni sulla sensibilità dei sensori agli stimoli meccanici. “Avere le lame flosce alle estremità potrebbe aiutare a smorzare il rumore meccanico di fondo all’interno di una cella”, afferma Mulhall.

Comprendere come PIEZO1 cambia forma in risposta a diversi stimoli potrebbe avere applicazioni future per lo screening di farmaci che potrebbero inibire o attivare i sensori.

“Ora che abbiamo questo modello di come si muovono le proteine, potremmo potenzialmente usarlo come lettura per i modulatori dell’attività del canale”, afferma Mulhall. “Ad esempio, se stavi testando un farmaco per trattare il dolore meccanico, che è in parte mediato dai canali PIEZO, potresti usarlo come piattaforma per sapere se il farmaco cambia effettivamente la funzione del canale”.

Successivamente, i ricercatori vogliono analizzare più posizioni sulla proteina per ottenere informazioni su come si muove l’intera proteina.

Oltre ai PIEZO, lo studio evidenzia la capacità di utilizzare la microscopia a super risoluzione a fluorescenza per analizzare il più piccolo dei movimenti delle proteine ​​nel loro ambiente naturale. “Ora possiamo iniziare a pensare di fare biologia strutturale usando un microscopio ottico”, dice Patapoutian.

Questo studio è stato finanziato dall’Howard Hughes Medical Institute, dalla Gordon and Betty Moore Foundation, dal National Institutes of Health (concessione R01 HL143297) e dalla George E. Hewitt Foundation.