Işıkla etkinleştirilen moleküler makineler, hücresel kalsiyum sinyalini kontrol eder

Kalsiyum sinyali ve hücreler arası kalsiyum dalgaları, hücreler içindeki çeşitli temel süreçleri yöneten ve aralarındaki iletişimi koordine eden biyolojide çok önemli bir rol oynar. Kalsiyum iyonları, kas kasılması, nörotransmitter salınımı, hormon salgılanması, gen ekspresyonu ve hücre büyümesi gibi çeşitli hücresel fonksiyonları düzenleyen çok yönlü haberciler olarak görev yapar (1). Kalsiyumun sitosolik konsantrasyonunun hassas kontrolü sayesinde, hücreler belirli tepkileri başlatabilir ve çeşitli fizyolojik süreçler arasında uygun koordinasyonu sağlayabilir. Hücreler arası kalsiyum dalgaları, komşu hücreler arasında kalsiyum sinyallerini yayarak, doku ve organ sistemlerinde koordineli tepkiler ve senkronize aktiviteler sağlayarak bu iletişimi daha da geliştirir (2). Bu dalgalar sadece hücreler arası koordinasyonu kolaylaştırmakla kalmaz, aynı zamanda gelişim, doku onarımı, bağışıklık yanıtı ve sinaptik plastisite sırasındaki önemli olayları da düzenler. Kalsiyum sinyalinin ve hücreler arası kalsiyum dalgalarının inceliklerini anlamak, biyolojideki temel mekanizmaları açığa çıkarmaya yardımcı olabilir ve hedeflenen terapötik müdahalelerin geliştirilmesi için önemli bir potansiyele sahiptir.

Kalsiyum dalgaları ile ilgili ilk raporlar, 1990 yılında Los Angeles California Üniversitesi’nden araştırmacıların, epitel hücrelerinin birleşen tek tabakalarının bir mikropipet ile mekanik olarak karıştırıldığında kalsiyum dalgaları sergilediğini bildirmesiyle ortaya çıktı (3). Son otuz yıldır, bunun gibi mekanik uyaranlar, temel sinyal deneylerinde kalsiyum dalgalarını tetiklemek için kullanıldı. Çalışmamızda, aynı tepkilerin küçük bir molekül tarafından iletilen mekanik kuvvetle uyarılabileceğini gösterdik.

Moleküler makineler veya kısaca MM, tasarlanmış uyarılmış durum etkileşimleri yoluyla ışığı mekanik enerjiye dönüştüren küçük moleküllü cihazlardır (4). Laboratuvarımız temel olarak, bir dizi fotokimyasal ve termal adımda sterik olarak aşırı kalabalık bir alken boyunca harekete geçen bir rotor ve bir statordan oluşan bir MM sınıfı ile ilgilenir. Bu motorların ökaryotik hücrelerin lipit çift katmanını geçirgenleştirebildiğini gösterdik (5) ve bu etkiden yararlanan çeşitli uygulamalar gösterdik. Sonunda, bu motorlar tarafından uygulanan kuvvetlerin, daha küçük dozlarda uygulandığında hücreleri öldürmek yerine hücresel aktiviteyi kontrol etmek için kullanılıp kullanılamayacağını merak etmeye başladık.

Rice Üniversitesi kampüsünde sinirbilimci olan Dr. Jacob Robinson ile iş birliği yaptık ve işe koyulduk. İlk deneylerimiz, çeşitli voltaj kapılı kanalları ifade eden ortak HEK hücre hattının bir alt tipi olan basit sivri HEK hücrelerini kullandı. Bu hücreleri kullandık çünkü başlangıçta, proje başladığında amacımız MM kullanarak aksiyon potansiyellerini uyarmaktı. Bu hücrelere hızlı dönen MM ve bir floresan kalsiyum biyosensörü olan Fluo-4 ile tedavi ettik. Çeşitli ışık stimülasyonu formları uyguladık ve sonunda bize bir kalsiyum yanıtı veren koşullar bulduk – başlangıçta foto-ağartma sonrası floresans-geri kazanım deneyleri için tasarlanmış bir konfokal mikroskop modu kullanan 250 ms’lik bir lazer stimülasyonu.

Şekil 1. Moleküler makineler, hücre içi kalsiyum dalgalarını hızlı, tek yönlü dönüşlerine bağlı olarak indükler.

Bir cevaba ulaştığımızda çok mutlu olduk ve kontrol deneylerimiz, cevapların hızlı dönen bir MM ile tedavi edilen hücrelere özel olduğunu gösterdiğinden, giderek daha iyimser olduk. Bununla birlikte, literatürü incelerken, gözlemlediğimiz geçici kalsiyum geçişlerinin bir aksiyon potansiyeline hiç benzemediğini fark ettik. MM aktivasyonundan kaynaklanan sitozolik kalsiyumdaki yükselmeler birkaç dakika sürdü; kimya grubumuz biyoloji hakkında pek bir şey bilmiyordu ama aksiyon potansiyellerinin bir saniyeden fazla sürmediğinden oldukça emindik. Ayrıca, yükselmeyen HEK’ler, stimülasyona hemen hemen aynı şekilde yanıt verdi.

Sonunda, herhangi bir aksiyon potansiyeline bakmadığımızı fark ettik – bir kalsiyum dalgası gözlemliyorduk, Sanderson ve diğerlerinin gözlemlediği türden bir tepki. bir mikropipet ile epitel hücrelerinin birleştiği tek tabakasına dokunduklarında. Sonunda, çeşitli farmakoloji deneyleri ile iki yanıt arasındaki benzerlikleri gösterdik.

Şekil 2. MM tarafından ortaya çıkan kalsiyum geçişlerinin hücre içi kalsiyum rezervlerinden kaynaklandığını gösteren farmakoloji deneyleri.

MM’mizin hücre içi kalsiyum tepkilerine neden olduğunu öğrendikten sonra, bu tepkilerin akış aşağı biyolojik işlevi kontrol etmek için nasıl kullanılabileceğini göstermek için model sistemler aradık. İlk önce in vitro bir kalp kası modeline baktık. Birincil sıçan kardiyomiyositlerinde kalsiyum dalgalarının MM tarafından uyarılmasının, çevredeki hücrelerde aksiyon potansiyeli ateşlemesini güçlendirdiğini gösterdik. Güçlendirilmiş aktivite, hücre dışı kalsiyumun varlığına ve bozulmamış bir IP3 sinyal devresine bağlıydı.

Şekil 3. Moleküler makineler kalp miyositlerinde kasılma ve atmaya neden olur.

Daha sonra in vivo model sistemine geçtik. Hareketi öncelikle kalsiyum dalgaları tarafından yönetilen bir tatlı su cnidarian organizması olan Hydra vulgaris’i kullandık. MM ile tedavi edilen Hydra’nın lokal uyarımının bölgesel bir kalsiyum dalgasına neden olduğunu gösterdik. Stimülasyon, patlama kasılmasını düzenleyen nöronal kümeler içeren bir bölge olan pedinküle hedeflendiğinde, hızlı dönen MM, yavaş dönen MM’ye veya yalnızca çözücü kontrollere göre tüm vücut kalsiyum dalgasıyla birleştiğinde daha yüksek bir organizma kasılması hızı sağladı.

Şekil 4. Moleküler makineler Hydra vulgaris’te kasılmaya neden olur.

Bu sonuçlar, ışıkla etkinleştirilen küçük bir molekül tarafından iletilen mekanik gücü kullanarak hücre sinyalini uzaktan kontrol etme yeteneğini göstermektedir. Burada gösterilen sterik olarak kalabalık alkenlerin uygulamaları, ihtiyaç duyulan yüksek ışık yoğunluğu ve görünür ışığın zayıf penetrasyonu ile sınırlı olsa da, bu çalışmanın gösterdiği ilke güçlüdür. Prensip olarak, çoğu modern farmasötik ilaç, belirli bir bağlanma etkileşimi olan kimyasal bir kuvvet kullanarak bir sinyal zincirini tetikler. Bu çalışma, aynı şeyin mekanik bir güçle yapılabileceğini, hücre içi kalsiyum tepkilerini yönlendiren protein mekanizmasının mekanosensitivitesi hakkında temel sorular açarak ve kimyasal ve mekanik kuvvetlerin bir kombinasyonundan yararlanarak istenen etkilerini tam olarak kullanan yeni bir ilaç sınıfı potansiyelini göstererek yapılabileceğini göstermektedir.

Referanslar

1. Clapham, DE Kalsiyum sinyali. Hücre 1311047–1058 (2007).

2. Leybaert, L. & Sanderson, MJ Hücreler Arası Ca2+ dalgalar: mekanizmalar ve işlev. fizik Rev. 921359–1392 (2012).

3. Sanderson, MJ, Charles, AC & Dirksen, ER Mekanik stimülasyon ve hücreler arası iletişim hücre içi Ca artırır2+ epitel hücrelerinde. Hücre Düzeni 1585–596 (1990).

4. Klok, M. ve ark. Moleküler döner motorların MHz tek yönlü dönüşü. J. Am. kimya Sos. 13010484–10485 (2008).

5. García-López, V. ve ark. Moleküler makineler hücre zarlarını açar. Doğa 548567–572 (2017).

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir