Wetenschappers van de Universiteit van Pittsburgh en Carnegie Mellon University hebben een decennia oud mysterie opgelost over hoe cellen hun volume regelen.
Drukke kamers: hoe Carnegie Mellon University en de onderzoekers van de Universiteit van Pittsburgh een celmysterie hebben opgelost.
Een surrealistische video van gestreste cellen onder een microscoop inspireerde een groep nierfysiologen en biologen uit de Verenigde Staten Universiteit van Pittsburgh en Carnegie Mellon Universiteit om een mysterie te onderzoeken: hoe regelen cellen hun volume?
Hun onderzoek, dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Cellaat zien hoe de onderzoekers de punten met elkaar verbonden op een raadsel dat drie decennia geleden aanvankelijk met een beetje geluk werd gepresenteerd.
« We deden live fluorescentiebeeldvormingsexperimenten die geen verband hielden met deze studie, en toen we een zoutoplossing aan de cellen toevoegden, veranderde het interne cytoplasmatische materiaal snel in een fluorescerende lavalamp », zegt Daniel Shiwarski, Ph.D., een postdoctoraal onderzoeker. onderzoeker aan de Carnegie Mellon University, waarin hij beschrijft hoe hij en zijn vrouw, co-hoofdauteur Cary Boyd-Shiwarski, MD, Ph.D., een toevallig stukje experiment veranderden in een onverwachte bevinding.
[embedded content]
In deze video zijn WNK-kinases (een soort enzym) fluorescerend en diffuus door de cel. Wanneer ze worden blootgesteld aan een zoutoplossing, smelten ze samen tot grotere druppels, die eruit zien als de felgroene klodder in een lavalamp. Dit proces, « fasescheiding » genoemd, is hoe de cel weet dat het zowel water als ionen moet terugbrengen en binnen enkele seconden naar zijn oorspronkelijke staat moet terugkeren. Krediet: Boyd-Shiwarski, et al., Cell (2022)
« Ik keek haar aan en ze vroeg me wat er aan de hand was, zoals ik had moeten weten, » zei hij. « En ik zei: ‘Ik heb geen idee, maar ik denk dat het waarschijnlijk iets belangrijks is!' »
Wanneer cellen abrupt worden blootgesteld aan een externe stressfactor, zoals een verhoogd zout- of suikergehalte, kan hun volume afnemen. Begin jaren negentig geloofden wetenschappers dat cellen hun volume terugkrijgen door op de een of andere manier hun eiwitconcentratie bij te houden, of hoe « vol » de cel was. Ze wisten echter niet hoe de cel drukte voelde.
Van links naar rechts: dr. Daniel Shiwarski, dr. Arohan Subramanya en dr. Cary Boyd-Shiwarski. Credits: Jake Carlson/UPMC
Toen, in de vroege jaren 2000, werden With-No-Lysine Kinases, of « WNK’s », geïdentificeerd als een nieuw type enzym. Jarenlang theoretiseerden wetenschappers dat WNK-kinases de celkrimp omkeerden, maar hoe ze dat deden, was onverklaard.
De nieuwe studie lost beide puzzels op door te onthullen hoe WNK-kinases de « schakelaar » activeren die het celvolume herstelt naar evenwicht door een proces dat bekend staat als fasescheiding.
« De binnenkant van een cel bevat cytosol, en over het algemeen denken mensen dat dit cytosol diffuus is, met allerlei moleculen die rondzweven in een perfect gemengde oplossing », zegt senior auteur Arohan R. Subramanya, MD, universitair hoofddocent in de Renal-Electrolyte Afdeling aan Pitt’s School of Medicine en stafarts bij het VA Pittsburgh Healthcare System. « Maar er is een paradigmaverschuiving geweest in ons denken over hoe cytosol werkt. Het is echt als een emulsie met een heleboel kleine, kleine eiwitclusters en druppeltjes, en als er dan een stressvolle situatie optreedt, zoals overbevolking, komen ze samen tot grote druppeltjes die je vaak met een microscoop kunt zien.”
Die vloeistofachtige druppeltjes waren de « lavalamp » die Shiwarski en Boyd-Shiwarski die noodlottige dag zagen toen ze experimenteerden met het toevoegen van een zoutoplossing aan de cellen. Ze hadden de WNK’s fluorescerend gelabeld, die door het cytosol verspreid waren, waardoor de hele cel gloeide. Toen er zout werd toegevoegd, kwamen de WNK’s samen en vormden ze grote neongroene bolletjes die rond de cel sijpelden als de klodder in een lavalamp.
Het team typeerde wat ze zagen als fasescheiding, dat is wanneer WNK’s condenseren tot druppeltjes samen met de moleculen die de zouttransporteurs van de cel activeren. Met deze stap kan de cel zowel ionen als water importeren, waardoor het volume van de cel binnen enkele seconden terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat.
Fasescheiding is een opkomend interessegebied, maar of dit proces al dan niet een belangrijk onderdeel van de celfunctie was, is controversieel.
« Er zijn veel mensen die niet geloven dat fasescheiding fysiologisch relevant is », legt Boyd-Shiwarski, assistent-professor in de Renal-Electrolyte Division aan Pitt’s School of Medicine, uit. « Ze denken dat het iets is dat gebeurt in een reageerbuis wanneer je eiwitten tot overexpressie brengt of dat het optreedt als een pathologisch proces, maar niet echt gebeurt in normale gezonde cellen. »
Maar in de afgelopen zes jaar heeft het team meerdere onderzoeken uitgevoerd met behulp van stressoren die vergelijkbaar zijn met de fluctuaties die optreden in het menselijk lichaam om aan te tonen dat fasescheiding van de WNK’s een functionele reactie is op drukte.
Het herstel van het celvolume heeft ook implicaties voor de gezondheid van de mens, legt Subramanya uit: « Een van de redenen waarom we zo enthousiast zijn, is dat de volgende stap voor ons is om dit terug in de nier te brengen. »
Andere WNK’s activeren het zouttransport in de niertubuluscellen wanneer de kaliumspiegel laag is door gespecialiseerde condensaten te vormen door middel van fasescheiding, WNK-lichaampjes genoemd. Moderne westerse diëten bevatten vaak weinig kalium, dus terwijl ze proberen het celvolume te reguleren, kunnen WNK-lichamen bijdragen aan zoutgevoelige hypertensie.
Hoewel de nieuwe ontdekking geen onmiddellijke klinische toepassingen zal hebben, is het team verheugd om wat ze hebben geleerd te gebruiken en de verbanden tussen WNK’s, fasescheiding en menselijke gezondheid te onderzoeken. Uiteindelijk kan hun werk leiden tot een beter begrip van hoe beroertes, hoge bloeddruk en kaliumbalansstoornissen kunnen worden voorkomen.
Referentie: « WNK-kinases detecteren moleculaire verdringing en redden celvolume via fasescheiding » door Cary R. Boyd-Shiwarski, Daniel J. Shiwarski, Shawn E. Griffiths, Rebecca T. Beacham, Logan Norrell, Daryl E. Morrison, Jun Wang, Jacob Mann, William Tennant, Eric N. Anderson, Jonathan Franks, Michael Calderon, Kelly A. Connolly, Muhammad Umar Cheema, Claire J. Weaver, Lubika J. Nkashama, Claire C. Weckerly, Katherine E. Querry, Udai Bhan Pandey, Christopher J. Donnelly, Dandan Sun, Aylin R. Rodan en Arohan R. Subramanya, 31 oktober 2022, Cel.
DOI: 10.1016/j.cell.2022.09.042
De studie werd gefinancierd door de National Institutes of Health en het Amerikaanse Department of Veterans Affairs.
