Med hjälp av en kombination av avancerade tekniker har forskare vid University of California, San Francisco (UCSF) och Howard Hughes Medical Institute (HHMI) identifierat de viktigaste strukturella elementen inom piezoproteiner som möjliggör deras detektering av mekaniska krafter. Deras resultat, publicerade i tidskriften Nature den 8 februari 2023, kastar ljus över de grundläggande mekanismerna bakom en avgörande klass av sensoriska proteiner.
Piezoproteiner är jonkanaler inbäddade i cellers membran. De fungerar som sensorer som omvandlar fysisk stimuli till elektriska signaler. Tidigare studier antydde att piezoproteiner fungerar genom sträckning av specifika domäner som svar på mekaniska krafter, liknande att sträcka en fjäder. De exakta strukturella egenskaperna som är ansvariga för denna sträckning förblev dock oklart.
För att komma till rätta med denna kunskapslucka genomförde forskargruppen under ledning av Dr Ardem Patapoutian, en känd expert inom området beröringssensation och piezoproteiner, en serie experiment. De använde kryo-elektronmikroskopi för att fånga högupplösta bilder av piezoproteiner i deras naturliga tillstånd. Detta gjorde det möjligt för dem att visualisera den tredimensionella strukturen av dessa proteiner i oöverträffad detalj.
Deras analys visade att piezoproteiner består av flera regioner som kallas "blad" och "paddlar". Dessa strukturer fungerar som spakar respektive grindar. När mekaniska krafter appliceras på bladen rör sig de, vilket utlöser en förändring i skovlarnas konformation. Dessa konformationsförändringar styr sedan öppningen och stängningen av jonkanalen, vilket slutligen omvandlar den mekaniska signalen till en elektrisk.
Teamets resultat ger ett genombrott för att förstå de molekylära mekanismerna för piezoproteiner och deras roll i avkänning av mekaniska krafter. Denna kunskap kommer inte bara att fördjupa vår förståelse av grundläggande cellulära processer utan kan också öppna nya vägar för terapeutiska interventioner riktade mot piezoproteiner och relaterade tillstånd, till exempel vid behandling av smärta eller hypertoni.
Framtida forskning kommer att fokusera på att ytterligare förfina vår förståelse av piezoproteiner och deras interaktioner med andra cellulära komponenter för att helt reda ut komplexiteten i mekanisk avkänning i celler och vävnader.
