В двух знаковых статьях в журнале Nature на этой неделе ученые из Исследовательского института Скриппса сообщают, что они определили класс белков, которые обнаруживают "болезненное прикосновение".

Ученым известно, что чувствительные нервы в нашей коже обнаруживают давление, боль, тепло, холод и другие раздражители с помощью специализированных белков "ионных каналов" в их наружных мембранах. Однако они только начали идентифицировать и охарактеризовать конкретные белки, участвующие в каждом из этих сенсорных путей. Новая работа предоставляет доказательства того, что семейство белков сенсорных нервов, известных как пьезобелки, являются белками ионных каналов, необходимыми для ощущения болезненного прикосновения.

Эксперименты в новом исследовании проводились на плодовых мушках, модельной системе сенсорной нервной системы млекопитающих, где также экспрессируются пьезобелки, а также в определенных типах клеток уха, почек, сердца и других тканей. Будущие исследования будут сосредоточены на роли пьезобелков в восприятии звука, артериального давления и связанных с ними раздражителей, которые давят и / или растягивают клеточные мембраны.

"Исследователи в этой области десятилетиями пытались идентифицировать белки ионных каналов, передающие давление, которые существуют у млекопитающих, и эти пьезобелки являются исключительно сильными кандидатами", - сказал Ардем Патапутиан, профессор кафедры клеточной биологии и Центра нейронаук Dorris в Scripps Research, и старший исследователь обоихдокументы. "Теперь у нас есть надежные подсказки, которые мы можем использовать, чтобы узнать, как работает путь механотрансдукции и как он нарушается при заболеваниях".

Две статьи появились в Интернете в журнале Nature 19 февраля 2012 года.

Следуя по пути подсказок
Лаборатория Патапутиана специализируется на изучении белков сенсорных ионных каналов. При попадании раздражителя, к которому он чувствителен, один из этих белков обычно раскрывает свою структуру, позволяя заряженным молекулам кальция, натрия или калия ("ионам") перетекать из жидкости вне клетки во внутреннюю часть клетки. Считается, что ионные каналы, которые воспринимают механическое давление, открываются, когда мембрана, в которую они встроены, деформируется после определенного порога. Результирующий поток заряда может запускать другие сигналы внутри клетки, например, нервный импульс в сенсорных нейронах - и у человека достаточное количество этих нервных импульсов будет интерпретироваться мозгом как ощущение, связанное с прикосновением или давлением.

В высоко цитируемой статье, опубликованной в Science в конце 2010 года, Патапутиан и его коллеги сообщили, что два мышиных белка с ранее неизвестной функцией проявляют свойства механотрансдукторов. Клетки, в которые были добавлены эти белки, втягивали положительно заряженные ионы при механическом давлении. Бертран Кост, первый автор статьи, назвал два близкородственных белка piezo1 и piezo2 - приставка "piezo-" происходит от древнегреческого слова, обозначающего давление или сжатие.

"Поскольку эти белки мало похожи на известные белки ионных каналов, следующим шагом для нас было подтвердить, что они действительно являются белками ионных каналов", - сказал Патапутиан. Новые исследования делают этот шаг и многое другое.

В первом из новых исследований ведущие авторы Бертран Косте, Байлонг Сяо и их коллеги подтвердили, что пьезобелки действительно являются белками ионных каналов, и очень большими. "Он собирается в "тетрамерный" комплекс из четырех пьезобелков, который, по-видимому, является самым большим из обнаруженных ионных каналов плазматической мембраны", - сказал Косте, научный сотрудник лаборатории Патапути. Последовательности белков в piezo также предполагают, что его структура ионных каналов проходит через клеточную мембрану более 100 раз.

Сотрудничающие исследователи из лаборатории Маурисио Монталя, выдающегося профессора нейробиологии Калифорнийского университета в Сан-Диего, обнаружили, что даже в отсутствие других белков пьезобелки могут самособираться в этот тетрамерный комплекс, образуя ионные каналы в искусственных мембранах, известных как липидные бислои.

Второе из новых исследований включало эксперименты с плодовой мушкой дрозофилой. Сон Ын Ким, первый автор исследования, генетически сконструировал линию дрозофилы, которая не экспрессирует ген Drosophila piezo (dpiezo). "Мы обнаружили, что их личинки продемонстрировали серьезную потерю чувствительности к механическим раздражителям, которые, как ожидается, будут генерировать сигналы, связанные с болью, хотя они нормально реагировали на другие виды раздражителей, такие как тепло и легкое давление", - сказала она. Ким - аспирантка, которая делит свое время между лабораторией Патапути и лабораторией научного сотрудника Scripps доцента Боаза Кука, который был одним из главных исследователей этого исследования.

Ким также использовала методы генетического "нокдауна" у дрозофилы, чтобы показать, что прерывание экспрессии dpiezo в определенных сенсорных нейронах может воспроизвести эту потерю чувствительности. Наконец, когда она искусственно восстановила экспрессию dpiezo у личинок, которые родились без этого гена, они проявили нормальную чувствительность к сильному давлению. "Это первая демонстрация специфической физиологической функции белка семейства пьезо", - сказал Кук.

Лаборатория Патапути сейчас проводит подробные последующие исследования пьезо- и других возможных белков механотрансдукции. "В ближайшие несколько лет мы будем пытаться определить все биологические процессы и заболевания, в которых играют роль эти чувствительные к давлению белки", - сказал он.