La familia de proteínas de membrana TMEM16 fue aclamada por representar los elusivos canales de cloruro activados por calcio. Sin embargo, la mayoría de los miembros de la familia resultaron ser scramblases, proteínas que mezclan los lípidos entre ambos lados de una membrana lipídica, algunos también con-conductancia iónica selectiva. En un nuevo estudio sobre proteínas de mamíferos y hongos de la familia TMEM16, Cristina Paulino, jefa de la unidad de crio-EM en el departamento de Biología Estructural de la Universidad de Groningen, Países Bajos, y sus colegas de la Universidad deZürich, Suiza, ha demostrado lo que las estructuras de estas proteínas revelan sobre su función. Los resultados se publicaron en dos artículos consecutivos en la revista eLife el 12 de marzo
En la década de 1980, los científicos encontraron canales de cloruro específicos que eran activados por el calcio. Sin embargo, no fue hasta 2008 que se descubrió que la identidad molecular real de estos canales pertenecía a la familia TMEM16. 'Estos canales podrían usarse para tratarfibrosis quística, una enfermedad en la que el transporte de cloruro en los pulmones y otros órganos no funciona ', dice Paulino. Posteriormente, se encontraron diez genes TMEM16 diferentes en el genoma humano, pero cuando se estudió su función, el resultado fue una sorpresa.' Dosgenes de hecho codificaban canales de cloruro, pero el resto eran scramblasas, proteínas que mueven los fosfolípidos entre ambos lados de una bicapa lipídica '.
muerte celular
La composición lipídica de las membranas celulares es asimétrica: la monocapa interna y externa contienen diferentes fosfolípidos. Al mover fosfolípidos específicos de un lado de una membrana al otro, las scramblases interrumpen la asimetría. Esto puede ser una señal muy fuerte, explicaPaulino. 'Por ejemplo, cuando los lípidos que se encuentran en el interior de la membrana están presentes en el exterior, esto puede servir como una señal para inducir la muerte celular. O, en el caso del lípido scramblase TMEM16F, para iniciar la coagulación sanguínea enplaquetas. 'Por lo tanto, es vital una regulación estricta de la actividad de scramblase. Sin embargo, para complicar las cosas, algunas de estas proteínas scramblase también actúan como canales iónicos no selectivos.
Como postdoctorado en el laboratorio de Raimund Dutzler ahora su colaborador, Paulino resolvió la estructura crio-EM de TMEM16A, un miembro de la familia TMEM16 que funciona exclusivamente como canal. Las cosas empezaron a encajar cuando comparó estoestructura con la estructura de rayos X de la scramblase fúngica nhTMEM16: "Ambos estudios definieron las características de esta familia bifuncional. Pudimos entender cómo una arquitectura de proteína similar puede adaptarse para ejercer estas diferentes tareas. Mientras que en la estructura de la scramblase lipídica observamosuna cavidad que abarca la membrana y accesible a la membrana a través de la cual los lípidos pueden deslizarse, el surco se cierra en la estructura del canal de cloruro para formar un poro que permite la difusión de iones a través de la membrana. '
Scramblases
Sin embargo, quedaban grandes preguntas: `` Queríamos saber cómo las scramblases están reguladas por el calcio y cómo algunas de ellas pueden facilitar simultáneamente el transporte de iones ''. Con ese fin, su grupo de investigación recientemente establecido en la Universidad de Groningen, junto conel grupo Dutzler en Zurich, Suiza, se propuso estudiar la proteína TMEM16F de mamífero, que juega un papel crucial en la coagulación sanguínea. Resolvieron la estructura de la proteína en ambientes con y sin calcio, para atrapar el estado abierto y cerrado. Sin embargo,ninguna de las estructuras crio-EM mostró un estado abierto con una cavidad a través de la cual los fosfolípidos y los iones pudieran ser transportados. 'Solo había una pequeña diferencia en las estructuras con y sin calcio', explica Paulino.
Hay varias explicaciones posibles: los lípidos podrían transportarse sin la formación de una cavidad acuosa, o las condiciones experimentales simplemente no eran óptimas para que la proteína adoptara el estado 'abierto'. El efecto de las mutaciones en diferentes ubicaciones hizo que la primeraLa opción parece poco probable. Pero para avanzar, se necesitaba más información. 'Así que decidimos volver a nuestros estudios sobre el hongo nhTMEM16.'
no en blanco y negro
Estos experimentos resultaron más exitosos. Paulino y sus colegas observaron un estado abierto, con un surco que podría transportar fosfolípidos; un estado cerrado; y un estado intermedio que podría permitir el transporte de iones. '' De hecho, encontramos los tres estados en presenciade calcio, que debería inducir un estado abierto. Por lo tanto, nuestros resultados muestran que la estructura es altamente dinámica, con un equilibrio entre diferentes estados. 'También significa que debe haber un factor adicional que regule la actividad de las proteínas TMEM16 además del calcio,porque en las células la actividad de estas proteínas está estrictamente regulada.
Paulino y sus colegas han recorrido un largo camino en la comprensión de cómo operan las proteínas de la familia TMEM16. 'Ahora sabemos que no es una situación en blanco y negro: las múltiples conformaciones de proteínas están en un equilibrio dinámico'.En estado completamente abierto, son scramblasas, mientras que en un estado intermedio pueden transportar iones, lo que sugiere que estas proteínas originalmente eran scramblasas, pero que algunas de ellas evolucionaron hacia canales iónicos puros, posiblemente por mutaciones que favorecieron la forma intermedia de la proteína.
dinámica
Se necesitaba una enorme cantidad de datos estructurales y funcionales para comprender el complejo mecanismo de acción de las proteínas TMEM16. Para Paulino, el estudio confirma una vez más el poder de la crio-EM como herramienta de investigación: 'Esto nos permitió tomar muestras de la dinámicade la estructura activa, y ver múltiples estados diferentes en los que podría estar la proteína. '
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Groningen . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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