כשמדובר בחלבוני מוח, שינויים קטנים יכולים לעשות את ההבדל הדרמטי. חוקרים הלומדים קולטני NMDA (N-Methyl-D-Aspartate), החיוניים ללמידה, זיכרון ותודעה רגע-רגע, יודעים שאפילו שינויים קלים ברמת הפעילות שלהם יכולים להיות ההבדל בין תפקוד תקין להפרעות נוירולוגיות חמורות.
כעת, האוניברסיטה בחוקרי באפלו בשיתוף פעולה ארוך טווח עם מדענים במכון וולום תפסו לראשונה ובפירוט מעודן של קולטנים בקונפורמציה פתוחה לחלוטין. העיתון מתאר גם לראשונה את רצף השינויים המבניים ההופכים את הקולטנים מלהיות שותקים להיות פעילים לחלוטין.
פורסם היום ב התקדמות מדעיתעבודת הצוות מרחיבה את ההבנה כיצד קולטני ה- NMDA מתפקדים וכיצד תקלה שלהם תורם למחלות.
גבריאלה פופסקו, דוקטורט, פרופסור לביוכימיה בבית הספר לרפואה של ג'ייקובס ומדעי הביו-רפואיים ב- UB, הוא סופר מקביל בעיתון עם אריק גוו, PhD, ואוניברסיטת פרזאד ג'לי-יזדי, מדענים במכון וולום באוניברסיטת אורגון ומדעים. מחברים מובילים הם ג'יימי א. אבוט, דוקטורט, מדען המחקר במחלקה לביוכימיה ב- UB, וגונהו קים, דוקטורט, עמית פוסט -דוקטורט במכון וולום. Beiing Liu, PhD, הוא מחבר משותף במחלקת ה- UB לביוכימיה.
פופסקו בילתה את הקריירה שלה בלימוד התכונות הביו -פיזיות של קולטני NMDA, המייצרים זרם חשמלי בתגובה לקשירת גלוטמט ולעזור לנוירונים לתקשר.
מדוע התנוונות עצבית מתרחשת
קולטני ה- NMDA הם המפתח לפעילות מוחית מתמשכת, אך כאשר הם פעילים באופן לא הולם, הם הורגים נוירונים, כמו למשל, לאחר פגיעה מוחית טראומטית, לאחר שבץ מוחי, או במהלך מחלות נוירו -ניווניות מתקדמות כמו מחלת פרקינסון ומחלת אלצהיימר. "
גבריאלה פופסקו, דוקטורט, פרופסור לביוכימיה, בית הספר לרפואה של ג'ייקובס ומדעי הביו -רפואה ב- UB
מסיבה זו, פופסקו ועמיתיה התמקדו בניסיון להבין ולעקוב אחר רצף האירועים ההופכים קולטנים מנויים, לא פעילים לקולטנים פעילים ומניבים חשמל. חלק מרכזי בהרכבת רצף זה מחייב השגת תמונות של קולטנים במצבים פונקציונליים שונים כדי לזהות אילו חלקים משנים מיקום במהלך ההפעלה, מה שמאפשר את המעבר. בעוד שמחקרים קודמים דיווחו על מבנים ברזולוציה אטומית לקולטנים במצב המנוחה, אומר פופסקו כי מבנים לקולטנים פעילים ופתוח נקבוביות נותרו חמקמקים.
קינקים בהסדקים
החוקרים השתמשו במיקרוסקופיית אלקטרונים קריוגנית (Cryo-EM), הכוללת דגימות הקפאת הבזק של הקולטנים, ואז בודקים אותם עם קרן אלקטרונים כדי לקבל תצוגה תלת-ממדית. התוצאה היא התמונה הראשונה אי פעם ברזולוציה גבוהה של קולטן NMDA יציב ופתוח. בניגוד לקולטנים נקבוביים סגורים, שבהם ארבעת המבנים הספירליים של הנקבוביות, או מסוקים, הם ישרים, החוקרים גילו שכאשר הנקבובית נפתחת, המסוקים כפופים או מקושרים.
זה לא מה שהם ציפו. "חשבנו שהערוץ ייפתח בפשטות על ידי סחיטת ארבעת המוטות הסליליים שמונעים את זרימת היונים להרחיב את פה הנקבובית", אומר פופסקו. "במקום זאת, ראינו שכל ארבעת המוטות מקושרים כלפי חוץ ומתייצבים בקונפורמציה משופעת זו על ידי קשרים חדשים עם חלקים רחוקים של המולקולה."
כל קינק, היא מסבירה, מייצג אזור המעניין בקולטן. "זהות חומצת האמינו בעמדה זו חיונית מכיוון שהיא חייבת לאפשר את הקלינג", היא אומרת. "בלי הדימוי, מבלי לדעת שהסליל צריך להתכופף, לא היינו מבינים מדוע השאריות הספציפיות הללו חשובות."
התצפיות החדשות יסייעו לחוקרים להבין את התהליך שלב אחר שלב שבאמצעותו נפתחת נקבובית הקולטן; הם גם מספקים תובנה לגבי חלקים אחרים בקולטן עשויים גם הם למלא תפקיד. ישנם חולים רבים, הערות פופסקו, עם מוטציות של נקודה אחת בקידוד ה- DNA לקולטן זה. מוטציה נקודתית היא שינוי בחומצת אמינו יחידה במבנה הקולטן. "המידע החדש עוזר לנו להבין טוב יותר את מה שאריות חומצות האמינו האלה עושים, מדוע הם חשובים ומה משתבש כשמשוננים", היא מוסיפה.
ממצאי תפקוד מבנה
החוקרים חושפים גם את המנגנון הראשון של הפעלת קולטני NMDA תוך שילוב עדויות פונקציונליות שהתקבלו במעבדה של פופסקו מהקלטות אלקטרופיזיולוגיה מולקולה בודדת עם עדויות מבניות מקריו של חלקיקים יחידים שהתקבלו במעבדה של המחבר השותף אריק גווקס, PhD, מדען בכיר במכון וולום.
"לפני המחקר הזה ידענו שעל הקולטן לשנות את המבנה שלו מספר פעמים כדי לעבור ממנוחה לפתיחה לפתיחה", אומר פופסקו. "בנפרד, מחקרים מבניים ייצרו תמונות של קולטנים שנראו מעט שונים, אך מכיוון שלא ידענו איך נראה המצב הפתוח הסופי, לא יכולנו לסדר את התמונות ברצף הנכון."
Popescu מסוגלת כעת לחבר את התמונות החדשות של הקולטן לממצאים הקודם שלה בקצב איתו קולטנים משנים קונפורמציה להשלמת מחזור ההפעלה. הידיעה כיצד הקולטן מסתכל על כל נקודה ברצף עוזרת לבודד אילו אזורים ממלאים תפקידים מרכזיים במעבר ומדוע וכיצד תרופות נקשרות לאזורים אלה, כמו גם מדוע מוטציות באזורים אלה גורמות למחלות.
"העבודה שעשתה המעבדה שלי במהלך 20 השנים האחרונות יכולה לספר לנו כיצד תרופות או מוטציות משנות את הזרם שגלוטמט מעורר כאשר זה נקשר לקולטן ה- NMDA," היא אומרת. "בסופו של דבר, העוצמה, משך הזמן והתדירות של זרם זה – האותות החשמליים הזעירים שהקולטנים הללו מייצרים – קובעים כיצד נוירונים מתקשרים והאם המחשבות, הרגשות והרגשות שלנו משקפים את המציאות באופן שעוזר לנו לשרוד בעולם מורכב. התוצאות החדשות מראות לנו מדוע תרופות ומוטציות משנות את הזרם ויכולים להצביע על דרכים לשחזור תפקוד נורמלי."
העבודה מומנה על ידי המכונים הלאומיים לבריאות.
