För ungefär två år sedan, forskare från universitetet i Würzburg upptäckte att en viss klass av receptorer kan uppfatta mekaniska stimuli. Nu har de börjat reda ut de molekylära mekanismerna bakom upptäckten.

Receptorn som studerats av forskare från universiteten i Würzburg och Leipzig under de senaste åren fungerar på samma sätt som volymkontrollen för en stereo som förstärker eller dämpar den inkommande signalen. Receptorn i fråga kallas latrofilin/CIRL.

För lite mer än två år sedan, forskarna hade överraskat forskarvärlden genom att bevisa att vissa receptorer, inklusive latrofilin, reagerar på mekaniska stimuli från miljön, till exempel vibrationer, ljudvågor eller expansion. Genom att göra så, receptorerna hjälper organismer att höra, uppfattar rörelser och styr sina egna rörelser.

Hur informationen kommer in i cellen

Just då, dock, detaljerna om receptorernas bidrag var fortfarande oklara, dvs hur processen fungerar på molekylär nivå. Sålänge, forskarna har kunnat belysa några avgörande detaljer. De presenterar sina resultat i det aktuella numret av den vetenskapliga tidskriften eLife. Studiens huvudförfattare är Dr Robert Kittel, som leder en arbetsgrupp vid Institute of Physiology/Department of Neurophysiology vid University of Würzburg, och professor Tobias Langenhan, som nyligen flyttade från Würzburg till universitetet i Leipzig.

"För att celler ska uppfatta och svara på yttre stimuli, informationen måste på något sätt komma in i cellen, " Robert Kittel förklarar den centrala aspekten av studien. Detta kan åstadkommas genom jonkanaler där en mekanisk stimulans omvandlas till en elektrisk respons i en mycket enkel och snabb process.

Med latrofilinreceptorn är saker annorlunda:"Den bildar inte en kanal och den skickar inte stimulansen elektriskt, säger Kittel. Istället, det aktiverar intracellulära budbärare som utlöser speciella signalkaskader inuti cellen som i slutändan också påverkar jonkanalerna. Enligt Kittel, receptorn har således en modulerande effekt på stimulansuppfattning som någon form av volymkontroll.

Samarbete med många experter

Studien som just publicerats är resultatet av ett samarbete med specialister från olika områden vid universitetet i Würzburg – en aspekt som Robert Kittel uppskattar särskilt.

En av de bidragande experterna är växtfysiologen professor Georg Nagel som var en av forskarna som upptäckte en berömd teknik som blev känd som "optogenetik". Den bakomliggande principen:Nagel karakteriserar jonkanaler och enzymer som kan styras med ljus. Robert Kittel och Tobias Langenhan använde larverna från Drosophila, fruktflugan, för sina experiment som är nästan genomskinliga så att forskarna kunde studera receptorernas funktion med enkla ljusblixtar.

Den andra experten som var involverad var professor Markus Sauer, chef för institutionen för bioteknik och biofysik vid universitetet i Würzburgs biocenter. Med sitt team, Sauer utvecklade speciella former av högupplöst fluorescensmikroskopi. Denna "superupplösta" mikroskopi möjliggör avbildning av cellulära strukturer och molekyler med upp till tio gånger ökad upplösning jämfört med konventionella optiska mikroskop. "Genom att använda superupplösningsmikroskopi, vi kunde peka ut positionen för cellmembranet där receptorn är belägen, " säger Robert Kittel.

Dr Isabella Maiellaro och professor Esther Asan är också specialister inom bildbehandling. Genom att samarbeta med Isabella Maiellaro från institutionen för farmakologi, forskarna kunde direkt visualisera den intracellulära receptorsignalen. Esther Asan, Professor vid Institutet för anatomi och cellbiologi II vid universitetet i Würzburg, bidrog också till framgången för studien med hennes expertis inom elektronmikroskopi.

Dessutom, Projektet stöddes av den omfattande erfarenheten av professor Matthias Pawlak vid Institutet för fysiologi vid universitetet i Würzburg inom området sensorisk fysiologi och Dr Simone Prömel, en farmakolog vid universitetet i Leipzig. Robert Kittel ser dessa samarbeten som ett bra exempel på hur moderna biotekniska metoder kan hjälpa till att svara på fysiologiska frågor.

En mycket viktig molekylär familj

Latrophilin/CIRL är en medlem av en familj av molekyler som har mer än 30 medlemmar hos människor:de så kallade adhesions-GPCR, en undergrupp av G-proteinkopplade receptorer (GPCR). Hundratals av dem är kodade i det mänskliga genomet; deras betydelse underbyggs bland annat av det faktum att ungefär hälften av alla receptbelagda läkemedel riktar sig mot dessa receptorer och hjälper till att behandla vanliga sjukdomar som högt blodtryck, astma eller Parkinsons.

Detta visar hur viktiga forskningsresultaten från forskarna från Würzburg och Leipzig är. Trots allt, att veta vad som pågår inuti cellerna är en förutsättning för att utveckla en bättre förståelse för patologiska processer och utforma nya terapier. "Cellbiologiprocesserna är väl bevarade när det gäller evolution, "Säger Robert Kittel. Liknande mekanismer fungerar också i mänskliga celler.

Robert Kittel och Tobias Langenhan är också medlemmar i en forskningsenhet finansierad av Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG FOR 2149) som studerar signalbeteendet hos adhesions-GPCR. Den aktuella studien utnyttjar Drosophilas goda experimentella tillgänglighet för att snabbare föra in ny teknik i ett biomedicinskt sammanhang. Detta gör att grundläggande molekylära mekanismer kan beskrivas för första gången. Dessa mekanismer ska nu studeras i ytterligare organismer och fysiologiska sammanhang i samarbete med andra forskare.