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A capacidade de sentir estímulos mecânicos, como toque ou pressão sanguínea, é essencial para processos fisiológicos em humanos e em todo o reino animal. Em um novo estudo, os cientistas da Scripps Research mostram como o canal iônico sensorial PIEZO1 muda de forma em resposta a estímulos mecânicos, revelando informações críticas sobre como essa proteína funciona.
No estudo, publicado na Natureza em 16 de agosto de 2023, os pesquisadores caracterizaram a forma e a conformação do sensor quando embutido na membrana plasmática da célula – seu ambiente de trabalho natural.
Marcando diferentes regiões da proteína com moléculas fluorescentes e medindo diretamente as distâncias entre elas, os pesquisadores mostraram que PIEZO1 tem uma conformação expandida quando situada na membrana plasmática, em contraste com a conformação contraída em forma de taça prevista por estudos anteriores sem células. modelos estruturais. Essa descoberta estrutural pode levar a futuras aplicações de descoberta de medicamentos, como a triagem de medicamentos eficazes relacionados a doenças associadas a defeitos congênitos do PIEZO1, como displasia linfática congênita autossômica recessiva e xerocitose hereditária.
“Nossos resultados mostram como o ambiente celular pode moldar a estrutura do PIEZO1 e revelar os movimentos moleculares básicos subjacentes à ativação do canal”, diz o autor sênior Ardem Patapoutian, PhD, professor do Dorris Neuroscience Center na Scripps Research e investigador do Howard Hughes Medical Institute. Patapoutian recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2021 por descobrir PIEZO1 e PIEZO2, os receptores críticos que permitem que as células respondam a estímulos mecânicos.
A equipe queria resolver uma questão em aberto: como essas proteínas convertem um estímulo mecânico em um sinal elétrico, que é a moeda do sistema nervoso? Responder a isso forneceria informações sobre o que causa o mau funcionamento dos receptores PIEZO sob diferentes condições.
O PIEZO1 tem a forma de uma hélice de três pás e acredita-se que suas pás sejam os principais sensores de força mecânica, portanto, entender sua estrutura é fundamental para entender como o sensor funciona. No entanto, modelos anteriores baseados em microscopia eletrônica careciam de informações sobre como as pontas dessas lâminas são estruturadas. Além disso, esses estudos anteriores foram realizados em proteínas isoladas e sem membrana, o que significa que eles tinham uma capacidade limitada de prever a forma e o movimento do PIEZO1 no ambiente celular real.
Para superar essas limitações, a equipe de Patapoutian usou os microscópios MINFLUX e iPALM, que capturaram detalhes em escala nanométrica e permitiram à equipe visualizar moléculas PIEZO1 individuais no contexto da membrana celular.
“Avaliar PIEZO1 em seu contexto celular é apenas um exemplo do potencial da microscopia de super-resolução, que pode ser uma ferramenta de pesquisa transformadora para uma variedade de programas de pesquisa aqui na Scripps Research”, disse o co-autor Scott Henderson, diretor do Scripps Research Core Microscopy Facility e professor do Departamento de Biologia Integrativa Estrutural e Computacional.
Os pesquisadores rotularam PIEZO1 com marcadores fluorescentes e usaram os microscópios para visualizar a proteína em diferentes situações: em repouso, quando exposta a um inibidor químico e quando ativada por meio do alongamento da membrana celular.
Eles descobriram que, quando PIEZO1 não é exposto a estímulos mecânicos, suas lâminas repousam em uma conformação expandida. Isso contrasta com os modelos estruturais anteriores sem membrana – sem a presença da membrana celular (que exerce uma pressão de achatamento nas lâminas do PIEZO1), as lâminas se dobram em uma conformação mais semelhante a um copo.
“No ambiente celular, PIEZO1 está em um estado de equilíbrio mecânico onde as tensões da proteína na membrana e as tensões da membrana na proteína resultam em um achatamento líquido do canal”, diz Eric Mulhall, PhD, do estudo primeiro autor e pós-doutorado no laboratório Patapoutian da Scripps Research e do Howard Hughes Medical Institute.
Quando os pesquisadores expuseram PIEZO1 a uma toxina da tarântula da rosa chilena que inibe a função do receptor ao aliviar o estresse exercido pela membrana, a proteína assumiu a conformação de taça. Por outro lado, quando aplicaram um estímulo mecânico ao esticar a membrana celular, as lâminas da proteína ficaram ainda mais expandidas. Esse mesmo estímulo mecânico também resultou na ativação elétrica do canal. Juntos, esses resultados sugerem que a conformação expandida facilita a transmissão ativa de estímulos mecânicos.
“O grau de expansão da lâmina parece estar correlacionado com a ativação do canal”, diz Mulhall. “Quando as lâminas estão muito colapsadas, o canal não está nada ativo, mas quando estão mais expandidas ou mesmo completamente planas, o canal está muito ativo.”
A análise de molécula única da equipe também revelou que as lâminas do PIEZO1 são relativamente rígidas em sua base, mas mais flexíveis em suas extremidades, o que tem implicações na sensibilidade dos sensores a estímulos mecânicos. “Ter as lâminas flexíveis em suas extremidades pode ajudar a amortecer o ruído mecânico de fundo dentro de uma célula”, diz Mulhall.
Compreender como o PIEZO1 muda de forma em resposta a diferentes estímulos pode ter aplicações futuras para a triagem de drogas que podem inibir ou ativar os sensores.
“Agora que temos esse modelo de como as proteínas se movem, poderíamos usá-lo como uma leitura para moduladores da atividade do canal”, diz Mulhall. “Por exemplo, se você estivesse testando um medicamento para tratar a dor mecânica – que é em parte mediada pelos canais PIEZO – você poderia usar isso como uma plataforma para saber se o medicamento realmente altera a função do canal”.
Em seguida, os pesquisadores querem analisar mais posições na proteína para obter informações sobre como toda a proteína se move.
Além PIEZOs, o estudo destaca a capacidade de usar microscopia de super-resolução de fluorescência para analisar o menor dos movimentos de proteínas em seu ambiente natural. “Agora podemos começar a pensar em fazer biologia estrutural usando um microscópio de luz”, diz Patapoutian.
Este estudo foi financiado pelo Instituto Médico Howard Hughes, Fundação Gordon e Betty Moore, Institutos Nacionais de Saúde (concessão R01 HL143297) e Fundação George E. Hewitt.
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