Los canales iónicos y los transportadores de membrana están en el negocio de mover iones y moléculas pequeñas a través de las membranas celulares. Son esenciales para la homeostasis metabólica y celular, y para una serie de vías de señalización biológica.
"Ambas clases de proteínas de membrana son extremadamente importantes para nuestra salud", observa Nieng Yan, profesor de Shirley M. Tilghman en el Departamento de Biología Molecular de Princeton. "Los defectos en estas proteínas también están asociados con muchas enfermedades diferentes".
Para entender por qué un defecto en una proteína en particular causa una enfermedad, es importante saber no solo qué hace esa proteína, sino también cómo ejecuta esta función. Estudiar la estructura de una proteína permite a los científicos manejar mejor sus mecanismos de acción, pero también las estructurasde los canales de iones y los transportadores de membrana han estado envueltos en el misterio durante mucho tiempo. Esto se debe a que las limitaciones técnicas impidieron que estas proteínas se formaran imágenes a altas resoluciones utilizando las técnicas existentes. Sin embargo, las recientes mejoras en la microscopía electrónica criogénica Crio-EM han permitido a los investigadores, incluidos Yan,para comenzar a resolver este problema para varias proteínas de membrana.
La génesis del programa de investigación de Yan tiene sus raíces en Princeton, donde ella era una estudiante graduada en el laboratorio de Yigong Shi.
"Fui a un simposio donde los oradores principales presentaron esta fascinante vía de unión a elementos reguladores de esteroles, o SREBP, vía. Es el centro central para controlar la homeostasis celular de lípidos, colesterol y ácidos grasos", dice Yan.
La historia atrapó la imaginación de Yan, y cuando llegó el momento de elegir un proyecto de investigación de posgrado, decidió "algo ingenuamente", dice estudiar el complejo de SREBP con su compañero de escolta, la proteína de membrana de ER SCAP. SCAP contieneuna región conservada llamada dominio de detección de esteroles, o SSD, que se une al colesterol y otros esteroles.
"Incluso ahora", se ríe Yan, "no hemos resuelto la estructura de mi primer proyecto. Sin embargo, eso marcó el comienzo de mi obsesión con todo este camino. Debido a que ese proyecto era tan difícil, comencé a extender miprograma de investigación para otras proteínas que contienen dominios SSD "
Su búsqueda está produciendo recompensas valiosas, con un estudio publicado en 2019 sobre la estructura del receptor humano que contiene SSD Patched1 en complejo con su inhibidor, Sonic Hedgehog. Más recientemente, el grupo de Yan ha producido un par de estudios sobre proteínas involucradas enel desarrollo de la enfermedad de Niemann-Pick tipo C NPC: NPC1 y NPC2. NPC1 es una proteína de membrana que se encuentra en los endosomas y lisosomas tardíos que funciona para transportar el colesterol a través de la membrana. NCP2, una proteína pequeña que reside dentro de los endosomas y los lisosomas tardíos,suministra colesterol a NPC1.
"Los defectos en el transporte del colesterol pueden causar una enfermedad devastadora", señala Yan.
Curiosamente, NPC1 también es el receptor celular del virus del Ébola. Después de ser endocitado por una célula, el virus usa NPC1 para escapar de la vía endocítica para que pueda replicarse en el citoplasma de la célula. En un estudio publicado en 2016 en la revista Celda , el laboratorio de Yan utilizó cryo-EM para obtener la estructura de NPC1, así como una reconstrucción de NPC1 en complejo con una glucoproteína de la superficie del Ébola.
Seguir en ese trabajo es otro estudio en Celda que apareció en junio de 2020, explorando la interacción entre NPC1 y NPC2. Este documento presenta una estructura de mayor resolución de NPC1 solo, y una estructura del complejo NPC1-NPC2. También describe un cambio conformacional sensible al pH dentro de NPC1puede ser necesario para administrar el colesterol a través de la membrana. Se cree que los cambios de forma son fundamentales para el funcionamiento de los transportadores de membrana, pero aún se desconoce cómo la mayoría de las proteínas cambian de forma para ejecutar su función.
"Ahora nuestro objetivo es producir películas en 3D", dice Yan, "para capturar diferentes conformaciones de la misma maquinaria molecular para revelar su ciclo de trabajo".
Los canales iónicos también cambian de forma para bloquear el tráfico de átomos cargados a través del canal; en muchos canales, esto es estimulado por un cambio de voltaje a través de una membrana. Tales canales activados por voltaje han sido un interés de larga data de Yan's.En su primer laboratorio en la Universidad de Tsinghua en China, Yan y sus estudiantes resolvieron la estructura de un canal de sodio humano controlado por voltaje, Nav1.7.
"Muchos animales atacan sus oraciones inyectando toxinas para paralizar a sus víctimas, y muchos de los objetivos de estas toxinas son canales de sodio dependientes de voltaje", señala Yan.
Tales toxinas pueden actuar bloqueando el poro del canal o evitando los cambios de forma necesarios para abrir el canal. Para estudiar esto, los postdocs de Yan intentaron visualizar el canal unido a diferentes toxinas, pero no pudieron purificar suficiente proteína para obtener buenas imágenes delas toxinas ligadas. Después de comenzar su nuevo laboratorio en Princeton, Yan quería profundizar en el tema. En junio, su grupo publicó un artículo en PNAS en la estructura del canal de sodio dependiente de voltaje bacteriano prototípico, NaChBac.
"Ya teníamos una estructura para el canal humano, entonces, ¿por qué estoy tan entusiasmado con NaChBac? Porque es una gran herramienta", explica Yan.
El laboratorio de Yan utilizó esta herramienta para resolver el problema anterior al crear un canal quimérico utilizando partes de NaChBac y Nav1.7. La quimera es más fácil de purificar en grandes cantidades que el canal humano. Esto permitió visualizar una tarántulatoxina unida al canal, dando una idea tanto del mecanismo de acción de la toxina como del canal.
Ahora, Yan tiene una nueva ambición: atrapar un canal de sodio en el acto de cambiar de forma en respuesta a diferentes voltajes de membrana. Este problema ahora puede resolverse gracias a las recientes mejoras técnicas, desarrolladas por el postdoc Yimo Han, que permitencaptura de pequeñas vesículas lipídicas llamadas liposomas para cryo-EM.
"Yimo fue el primer postdoc que recluté en Princeton", dice Yan, "Su formación es en nanotecnología, por lo que puede enseñarme mucho".
La encapsulación de diferentes concentraciones de iones dentro de los liposomas debería permitir a los científicos estudiar cómo los gradientes de iones afectan las estructuras de los canales iónicos embebidos en liposomas y los transportadores de membrana. Aunque este trabajo está actualmente en espera debido a la pandemia del SARS-CoV-2, el grupo de Yan está ansiosopara retomar donde lo dejaron.
"Mis postdocs y yo tenemos muchas ideas para probar. No podemos esperar a que el laboratorio vuelva a abrir", dice Yan.
La financiación para estudios estructurales sobre NPC1 y NPC2, NaChBac, y los avances técnicos recientes en cyro-EM descritos en esta historia fueron proporcionados por: Ara Parseghian Medical Research Foundation, New Jersey Council for Cancer Research, National Science Foundation NSF -MRSEC programa DMR-1420541, el Fondo de Innovación para Nuevas Ideas en las Ciencias Naturales, la Beca de Investigación de Innovación SEAS, y el Shirley M. Tilghman dotado de cátedra de la Universidad de Princeton.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Caitlin Sedwick. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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