באמצעות מיקרוסקופ קריו-אלקטרון, חוקרים במרכז מקס דלבריק חשפו כיצד תעלות סידן של תאי השריר נפתחות באופן סינכרוני. הממצאים, שפורסמו ב-"Nature Communications", עשויים להסביר מנגנון מאחורי מחלות שרירים קשות.
כל צעד שאנו עושים מתחיל בפרץ של סידן בתוך תאי השריר שלנו, הגורם להם להתכווץ. כדי להתכונן לפעולה, התאים שומרים על סידן נעול בתא פנימי, הרשת הסרקופלזמית. הממברנה שלו משובצת אלפי תעלות RyR1 – תעלות היונים הגדולות ביותר המוכרות – המכילות נקבוביות המשחררות את הסידן. כדי ששריר יתכווץ כראוי, ערוצי RyR1 חייבים להיפתח באופן סינכרוני באמצעות מנגנון המכונה "שער מצמד". איך הם משיגים את זה לא ברור מאז שזה תואר לפני כמעט 30 שנה.
צוות בראשות ד"ר וסילי מיקירטומוב, דוקטורנט לשעבר במעבדה לביולוגיה מבנית במקום של ד"ר מישה קודריאשב במרכז מקס דלבריק, צילם כעת את התמונות התלת-ממדיות הראשונות ברזולוציה גבוהה של RyR1 בשישה שלבי פתיחה בתוך קרום הרשת הסרקופלזמי השלם. העבודה מתפרסמת ב"טבע תקשורת".
למרות שהמבנה של RyR1 תואר בעבר, מחקרים קודמים השתמשו בתעלות שהוסרו מהממברנה. במקום זאת, מעבדת Kudryashev חקרה את המבנה של RyR1 בסביבתו הטבעית באמצעות טכניקות הדמיה מתקדמות של מיקרוסקופיה קריו-אלקטרונים וטומוגרפיה. "מכיוון ש-RyR1 הוא חלבון ממברנה, אתה צריך לשלוף אותו עם חומרי ניקוי כדי לטהר אותו. אבל הסביבה הזו יכולה להפריע לחלבון רגיש כל כך", אומר Mikirtumov, שהוא כיום חוקר פוסט-דוקטורט במעבדה של כריסטיאן ספאן ב-Charité – Universitätsmedizin ברלין. "רצינו ללכוד את מבנה התעלה בממברנה המקורית שלו ולגלות אם מנגנון הפתיחה שלו נראה שונה שם".
החוקרים גילו שכן. התמונות מראות שערוצים שכנים נשארים במגע זה עם זה בעת המעבר מהמצבים הסגורים לפתוחים. מגע זה, או הממשק, מתווך שער משולב: כאשר ערוץ אחד מסתובב פתוח, הוא מאמץ את הממשק עם שכנו, מה שמקל על סיבוב ופתיחה של ערוץ זה גם הוא.
זה כמו גלגלי השיניים בשעון. ברגע שגלגל שיניים אחד מסתובב, הוא מיישר את השכנים שלו להסתובב גם הם".
ד"ר מישה קודריאשב, מחבר בכיר של המאמר, מרכז מקס דלברוק
שש תמונות של ערוץ נפתח
הצוות בודד את הרשת הסרקופלזמית משריר הארנב וצילם אותו במתקן הליבה למיקרוסקופיה קריו-אלקטרון, המנוהל במשותף על ידי Charité – Universitätsmedizin ברלין, מרכז מקס דלבריק וה- Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP). למעבדת Kudryashev יש מומחיות מיוחדת במיקרוסקופיה קריו-אלקטרונים וטומוגרפיה ובכלים החישוביים הדרושים לניתוח הנתונים המתקבלים.
"אנחנו יורים אלקטרונים דרך הדגימה ומצלמים אלפי תמונות, שלכל אחת יש עותקים רבים של אותו חלבון", מסביר מיקירטומוב. "אז אנחנו ממוצעים את כולם ביחד, וזה נותן לנו שחזור תלת מימד ברזולוציה גבוהה."
על ידי הוספת מולקולות קטנות כדי ליזום את פתיחת התעלה, החוקרים תפסו את RyR1 בשישה שלבים בין סגור לחלוטין לפתיחה מלאה. השוואת המבנים חשפה את תנועת הפתיחה המלאה: החלק החיצוני המגושם מסתובב בתוך מישור הממברנה, כמו הפיכת הטבעת של עדשת מצלמה, בעוד שהנקבובית בתעלה מתרחבת לכפול בערך מהרוחב המקורי שלה.
באמצעות טומוגרפיה קריו-אלקטרונים, הצוות צילם גם זוגות של ערוצים שכנים בחמישה שלבי פתיחה. הם גילו שלערוצים שכנים יש סיכוי גבוה יותר להיות מסונכרנים, וששני ערוצים סגורים באינטראקציה היו יציבים יותר משני ערוצים סגורים בבידוד. ממצאים אלה תומכים ב-gateing צמוד ומציעים כי ערוצים מחזיקים אחד את השני סגורים.
מטרה לטיפול במחלות שרירים
מוטציות בגן RYR1 גורמות להיפרתרמיה ממאירה, תגובה מסכנת חיים לחומרי הרדמה מסוימים ולמיופתיות מולדות שמחלישות את השרירים. רבות מהמוטציות הללו משנות את הערוץ בדיוק במקום בו הוא נוגע בשכנה.
"נראה שהרבה מהמוטציות הללו לא משפיעות על אופן פתיחת ערוץ בודד, אלא על האופן שבו ערוצים משתפים פעולה עם שכניהם", אומר מיקירטומוב. "מיפינו כמה מהם על הממשק, ואנחנו חושבים שבמקרים האלה, שיתוף הפעולה בין הערוצים הוא שמתקלקל".
החוקרים מציעים ששיבוש בממשק בין הערוצים גורם להם לדלוף, ולשחרר סידן כאשר הם צריכים לשמור אותו. זה הופך את הממשק עצמו למטרה לטיפולים.
הצוות כבר בוחן את הרעיון. "צריך למנוע מהערוצים להיפתח באופן ספונטני", אומר קודריאשב. "כעת, כשאנחנו יודעים איך מאורגן המצב הלא פעיל, אנחנו יכולים לעצב תרופות ביולוגיות או מולקולות קטנות כדי לייצב את המצב הסגור הזה".
