Informacja

W jakich okolicznościach ludzki neuron podzieli się?

W jakich okolicznościach ludzki neuron podzieli się?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Czytałem gdzieś, że dojrzały neuron traci zdolność do dzielenia się, poza bardzo specyficznymi sytuacjami. Nie mogłem znaleźć opisu tych sytuacji. Czym oni są?

(Przepraszam, że nie mówię, gdzie to przeczytałem, ale po prostu nie mogę tego znaleźć.)


Dojrzałe, zróżnicowane neurony nie dzielą się (przechodzą mitozę), ale najwyraźniej u dorosłych istnieje niewielka populacja samoodnawialnych nerwowych komórek macierzystych, które mogą wytwarzać nowe neurony. Neurogeneza występuje głównie w strefie podkomorowej i podziarnistej mózgu.

Nerwy obwodowe mogą regenerować się wzdłuż aksonu, o ile rurka śródnerwowa i komórki Schwanna są nienaruszone. Oto zdjęcie regenerującego się neuronu.


Jak wskazał @jello, zróżnicowane neurony nie dzielą się, zamiast tego nowe neurony są rekrutowane do istniejących sieci z niezróżnicowanych komórek. Ten proces nazywa się neurogenezą. Podsumowanie neurogenezy dorosłych na wysokim poziomie:

  1. Nerwowe komórki progenitorowe różnicują się w nowe neurony, które mają zero (lub bardzo niewiele) połączeń synaptycznych, ale są wrażliwe na lokalną chemię.
  2. (Opcjonalny) Czasami (np. w neurogenezie osoby dorosłej w opuszce węchowej) te niedojrzałe neurony powstają daleko od miejsca, w którym są potrzebne i podążają standardowymi ścieżkami, aby migrować do właściwego obszaru mózgu
  3. Niedojrzały neuron rozszerza dendryty w kierunku neuronów w górę i zaczyna rozwijać akson
  4. Niedojrzały neuron rozciąga akson w kierunku dalszych neuronów i
  5. Neuron dojrzewa i staje się nie do odróżnienia od sieci, do której dołączył.

Aby uzyskać więcej informacji, zastanów się nad pytaniem: W jaki sposób nowo utworzone neurony są rekrutowane do istniejących sieci?


Szybkość ludzkiego mózgu

Gryzoń: mały ssak, taki jak mysz, szczur lub wiewiórka, znany z posiadania pary zębów w górnej i dolnej szczęce.

Synapsa: szczelina między dwiema komórkami, która umożliwia przekazywanie między nimi sygnałów chemicznych lub elektrycznych. jeszcze

Depresja synaptyczna: Czas po wielokrotnym uruchomieniu neuronu, gdy chwilowo nie jest w stanie komunikować się z innymi neuronami.

Zadanie: praca lub obowiązek do wykonania.


Abstrakcyjny

W przypadku stresu poza ich tolerancją komórki przechodzą martwicę, ostrą, nieapoptotyczną formę śmierci komórki. Martwica ma kluczowe znaczenie dla uszkodzeń układu nerwowego spowodowanych urazami i chorobami. Ostatnie odkrycia rzuciły światło na molekularne wymagania dotyczące martwicy i dostarczyły nowych dowodów na to, że podobnie jak w przypadku apoptozy, mechanizmy śmierci komórek martwiczych są zachowane od nicieni po ludzi. Ale w przeciwieństwie do mechanizmów apoptotycznych, mechanizmy nekrotyczne nie ewoluowały specjalnie do przeprowadzania martwicy. Zamiast tego, w ekstremalnych okolicznościach, normalna aktywność komórkowa ulega destabilizacji, co ma katastrofalne konsekwencje dla komórki. Tutaj dokonujemy przeglądu mechanizmów związanych z martwicą i omawiamy wydarzenia, które przekształcają je w katastrofalne dla przeżycia komórek.


Część 1: Etapy życia człowieka w czasie ciąży od przed poczęcie dwutygodniowego zarodka:

Miejmy nadzieję, że znajomość tych procesów pomoże ludziom zrozumieć KIEDY życie człowieka -- każda forma życia z ludzkim DNA -- staje się osoba ludzka z pełnym zestawem praw człowieka, w tym z prawem do życia. Brak zgody co do tego, kiedy to nastąpi, podsyca większość konfliktu o to, czy kobiety powinny mieć dostęp do aborcji iw jakich okolicznościach.

Z pewnością wydają się żywymi organizmami. Jak widać pod mikroskopem, wydaje się, że poruszają się energetycznie z jedyną motywacją stapiania się z komórką jajową -- z wyjątkiem tego, że nie mają umysłu, a zatem nie mogą mieć żadnej motywacji. Ruchy plemnika są spowodowane reakcjami chemicznymi.

Większość ludzi uważa je za formę ludzkiego życia, ponieważ wydają się żywe i zawierają ludzkie DNA. Jednak niektórzy naukowcy definiują „życie” tak ściśle, że plemniki nie są uważane za żywe, ponieważ nie mogą same się rozmnażać. Rozmnażanie wymaga jajeczka i zapłodnienia.

Być może dzień przed poczęciem: Kobieta owuluje i wytwarza jedną dojrzałą komórkę jajową (tzw. gametę, komórkę płciową, komórkę jajową, komórkę jajową). Podobny do plemników. zawiera również „połowę ładunku” ludzkiego DNA – tylko 23 chromosomy. Jednym z nich jest zawsze chromosom płci X. Jajeczka przemieszcza się jednym z jej jajowodów w kierunku macicy. Ma około 1/100" średnicy i byłby ledwo widoczny gołym okiem. Z powyższych powodów większość opinii publicznej uważa ją również za formę życia ludzkiego. Nie spełnia jednak ścisłej definicji żywego organizmu niektórych naukowców, ponieważ brakuje mu jednego czynnika: zdolności do samodzielnej reprodukcji. Niektóre z nich rozmnażają się później przy pomocy plemnika, zapłodnienia, po czym jajeczko dzieli się na pół, aby wyprodukować dwie komórki jajowe.

Niektórzy z tych naukowców opisali komórkę jajową jako "obojętna kulka materii organicznej."

Jeśli kobieta nie miała ostatnio owulacji, odbyła stosunek seksualny bez zabezpieczenia, chce uniknąć ciąży i szybko zażyje pigułkę „dzień po”, zwykle zapobiegnie to owulacji. Jeśli owulacja już wystąpiła, zwykle zapobiega poczęciu. Jeśli poczęcie już nastąpiło, naukowcy medyczni ustalili, że pigułka nie przyniesie efektu. Jednak wielu religijnych, społecznych i politycznych konserwatystów zdecydowało się zignorować odkrycia badaczy i zapewnić – bez dowodów – że pigułka „dzień po” (tzw. antykoncepcja awaryjna) może zapobiec zagnieżdżeniu się w wewnętrznej ścianie macicy.

5

Powiększona komórka jajowa człowieka i pojedynczy plemnik

6

Jajo otoczone dużą liczbą plemników.

1

Mikrofotografia plemnika z powodzeniem rozpoczynającego łączenie się z komórką jajową.

W trakcie poczęcia: Jeden bardzo szczęśliwy plemnik z setek milionów wytrysków przez mężczyznę może przeniknąć zewnętrzną warstwę komórki jajowej. Dzieje się tak zazwyczaj, gdy górna jedna trzecia jednego z jajowodów kobiety. 3 Powierzchnia komórki jajowej zmienia wtedy swoje właściwości elektryczne i zwykle zapobiega przedostawaniu się dodatkowych plemników. Niedługo potem powstaje genetycznie unikalny byt, zwany zygotą. Jest to powszechnie określane jako "zapłodnione jajeczko." Jednak ten termin nie jest tak naprawdę ważny, ponieważ zygota nie jest już określana jako komórka jajowa po zapłodnieniu.

Niektórzy autorzy często odnoszą się do „momentu poczęcia” lub „natychmiastowego poczęcia”. W rzeczywistości poczęcie to proces, który trwa godzinami.

Połowa chromosomów zygoty 46 pochodzi z chromosomów jaja 23, a druga połowa z plemnika 23. Rezultatem jest unikalna struktura ludzkiego DNA, różna zarówno od komórki jajowej, jak i plemnika. DNA. Tak więc powstały noworodek będzie zawierał DNA, które różni się od jego rodzącej matki, od rodzeństwa i od rodzeństwa. Różnice te mogą dać dziecku przewagę lub wadę reprodukcyjną w późniejszym życiu w rywalizacji z innymi dziećmi w rodzinie i społeczeństwie. To właśnie ten czynnik stał się siłą napędową swojej teorii ewolucji Karola Darwina. Jego termin „przetrwanie najsilniejszych” oznacza zdolność dziecka do przetrwania, a następnie spłodzenia jak największej liczby potomstwa.

Zygota jest powszechnie uważana za ". biologicznie żywy. Spełnia cztery kryteria [naukowe] potrzebne do ustanowienia życia biologicznego:

  1. metabolizm,
  2. wzrost,
  3. reakcja na bodźce i
  4. reprodukcja." 2

Może się rozmnażać poprzez bliźnięta w dowolnym momencie do około 14 dni po zapłodnieniu. Tak powstają bliźnięta jednojajowe.

Zygota będzie zawierać chromosom płci X oddany z komórki jajowej oraz chromosom płci X lub Y pochodzący z plemnika. Jeśli kończy się na chromosomach XX, zygota jest genetycznie żeńska, jeśli XY, to jest genetycznie męska. W ten sposób płeć genetyczną zygoty, zarodka, płodu i dziecka określają plemniki ojca biologicznego. Niestety, w przeszłości kobiety były często obwiniane o to, że urodziły niewiele dzieci płci męskiej lub nie miały ich wcale. W niektórych kulturach, szczególnie tych, w których kobiety są dewaluowane, nadal są niesłusznie obwiniane.

Czasami męska zygota zostanie utworzona z XXY 9, XYY 10lub podobny skład chromosomów płci.

W rzadkich przypadkach zygota zostanie utworzona z chromosomami płci XY, będzie genetycznym mężczyzną, rozwinie się w płód, po urodzeniu będą widoczne męskie narządy płciowe, zostanie zarejestrowana jako męska, a mimo to będzie miała w mózgu struktury żeńskie zlokalizowane w mózgu. "centralna część jądra złoża prążkowia końcowego (BSTc)." 7,8 To spowoduje, że w późniejszym życiu zidentyfikują swoją płeć jako kobietę, odkryją, że są transpłciowi i żeńscy. Podobnie, jeszcze rzadziej, zygota będzie miała XX chromosomy płciowe, rozwinie się w płód, zostanie zidentyfikowana po urodzeniu jako kobieta, ale będzie miała męskie struktury BSTc w mózgu. W późniejszym życiu będą identyfikować się jako osoba transpłciowa z płci żeńskiej na męskiej (FTM).

Jednak zdecydowana większość noworodków będzie miała w mózgu struktury BSTc, które pasują zarówno do płci genetycznej, jak i narządów płciowych. Nazywa się je osobami cisgenderowymi. Więcej szczegółów.

Poczęcie jest wydarzeniem, w którym zdecydowana większość grup pro-life, konserwatywni chrześcijanie i niektórzy inni określają jako początek ciąży. Większość z tych grup definiuje również początek osoby ludzkiej jako występujący w momencie poczęcia.

Zygota najpierw dzieli się na dwie identyczne komórki, zwane blastomerami. W dalszym ciągu dzielą się mniej więcej raz na 12 do 20 godzin, gdy zygota powoli przechodzi w dół jajowodów. Jest on następnie określany jako morula, a później blastocysta.

Medyczna definicja początku ciąży pojawia się około 10 dni po zapłodnieniu, kiedy blastocysta zagnieżdża się w wewnętrznej ścianie macicy (tzw. macica).

Wiele grup religijnych, chrześcijańskich i innych, wierzy, że Bóg wszczepia duszę w zygotę podczas lub po procesie poczęcia. Różne grupy wiary definiują duszę jako zawierającą różne kombinacje ludzkiego umysłu, woli, emocji, wspomnień itp. Niektóre grupy uważają zaszczepienie duszy za definiujące wydarzenie, które zmienia człowieka życie w człowieka osoba.

Wielu postępowców religijnych i sekularystów zauważa, że ​​jeśli dusza istnieje, nie może funkcjonować do około 26 tygodnia ciąży, po tym jak płód stanie się świadomy. Dopiero wtedy po raz pierwszy pojawiają się wyższe funkcje mózgu i płód staje się do pewnego stopnia świadomy swojego otoczenia. Większość z nich zauważa, że ​​uważa się, że dusza jest nieważka, niewidzialna i niewykrywalna wszelkimi środkami znanymi nauce. Wielu wątpi w istnienie duszy.

Kiedyś badacze medyczni spekulowali, że jeśli kobieta zażyła antykoncepcję awaryjną (znaną również jako EC i pigułkę „dzień po”) szybko po stosunku bez zabezpieczenia, oraz nie zapobiegł owulacji, oraz nie zapobiegło zapłodnieniu, to EC może zapobiec przyczepieniu się blastocysty do ściany macicy. Jednak dalsze badania wykazały, że ten trzeci mechanizm wydaje się niemożliwy. Oznacza to, że EC działa jak prawdziwy środek antykoncepcyjny. Wiele grup pro-life i religijnych konserwatystów odrzuca wyniki badań i nadal zakłada, że ​​KE może zapobiec implantacji. Ponieważ grupy te ogólnie uważają, że ciąża rozpoczęła się w momencie poczęcia, uważają antykoncepcję awaryjną za możliwą metodę poronną. Wielu rutynowo odnosi się do tego jako do rzeczywistego środka poronnego. Pomimo zastrzeżeń producentów i ustaleń naukowców, rząd federalny USA nadal wymaga, aby opakowanie WE zawierało stwierdzenie, że zapobieganie implantacji jest nadal możliwe.

13 lub 14 dni po zapłodnieniu: A "prymitywna passa" pojawia się w zarodku. Później rozwinie się w kręgosłup płodu. Jest to moment, w którym spontaniczny podział blastocysty – proces, w którym rozwijają się bliźnięta jednojajowe – nie jest już możliwy. Przedzarodek jest teraz określany jako embrion. Na tym etapie rozwoju jest to bardzo małe skupisko niezróżnicowanych komórek. Nie ma funkcjonującego mózgu, nie ma narządów wewnętrznych, nie jest świadomy na tym etapie lub przez wiele miesięcy później.

To, czy embrion jest osobą ludzką w tym stanie rozwoju, jest przedmiotem gorącej debaty:

    Większość w społeczności pro-life twierdzi, że była to osoba od poczęcia. Często odnoszą się do preembrionów i embrionów jako „dzieci”.

Ten brak porozumienia generuje większość konfliktów, upał i gniew z powodu dostępu kobiet do aborcji.

Link sponsorowany:

Ten temat jest kontynuowany w następnym eseju z opisem prenatalnym rozwój człowieka od trzytygodniowego płodu do noworodka.

Wykorzystane referencje:

Do przygotowania i aktualizacji powyższego eseju wykorzystano następujące źródła informacji. Hiperłącza niekoniecznie są nadal aktywne dzisiaj.


Przejrzeć

  1. Podaj przykład komórek, które działają indywidualnie i poruszają się swobodnie, oraz podaj przykład komórek, które działają razem i są przyłączone do innych komórek tego samego typu.
  2. Jakie są przykłady komórek, które mogą się łatwo dzielić i komórek, które mogą dzielić się tylko w rzadkich okolicznościach?
  3. Zidentyfikuj typ komórki, która wydziela ważną substancję i nazwij wydzielaną substancję.
  4. Wyjaśnij, w jaki sposób powstają różne typy komórek, gdy wszystkie komórki w pojedynczym człowieku są genetycznie identyczne.
  5. Porównaj i skontrastuj cztery podtypy ludzkich komórek kostnych.
  6. Zidentyfikuj trzy rodzaje ludzkich białych krwinek i określ ich funkcje.
  7. Dlaczego zarówno kości, jak i krew są klasyfikowane jako tkanki łącznej?
  8. Wymień inny rodzaj tkanki łącznej i opisz jej rolę w ludzkim ciele.
  9. W oparciu o informacje w powyższej tabeli dotyczące rodzajów tkanek nabłonkowych, wymień cztery ogólne funkcje tego typu tkanki w ludzkim ciele.
  10. Porównaj i skontrastuj trzy rodzaje tkanek mięśniowych.
  11. Zidentyfikuj cztery rodzaje tkanek nerwowych, w których znajduje się każdy typ i jego podstawową funkcję.
  12. Spośród głównych typów tkanek ludzkich wymień dwa, które mogą wydzielać hormony.
  13. Komórki w określonej tkance:
    1. Czy wszystkie są tego samego typu
    2. Mają inne geny z komórek w innych tkankach
    3. Pracuj razem, aby wykonać funkcję
    4. Zawsze są ze sobą fizycznie połączone

    Rodzaje tkanki nerwowej

    Układ nerwowy składa się z tkanki nerwowej, która składa się z dwóch głównych typów komórek zwanych neuronem i neuroglejem.

    Cele nauczania

    Opisz główne komórki składające się na tkankę nerwową

    Kluczowe dania na wynos

    Kluczowe punkty

    • Tkanka nerwowa składa się z neuronów i komórek pomocniczych zwanych neuroglejem lub ” komórkami glejowymi.”
    • Istnieje sześć rodzajów neurogleju. Cztery z nich znajdują się w ośrodkowym układzie nerwowym, a dwa w obwodowym układzie nerwowym.
    • Cztery typy neurogleju występujące w ośrodkowym układzie nerwowym to astrocyty, komórki mikrogleju, komórki wyściółki i oligodendrocyty.
    • Dwa rodzaje neurogleju występujące w obwodowym układzie nerwowym to komórki satelitarne i komórki Schwanna.
    • Neurony to drugi rodzaj komórek, które składają się na tkankę nerwową. Neurony mają ciała komórkowe, dendryty i aksony.

    Kluczowe terminy

    • neuron: Główny typ komórek w tkance nerwowej.
    • neuroglia: Wspomagające komórki w tkance nerwowej.

    Tkanka nerwowa, jeden z czterech głównych typów tkanek, składa się z neuronów i komórek pomocniczych zwanych neuroglejem. Neuroglia są również nazywane „komórkami glejowymi”.

    Neuroglia

    Istnieje sześć rodzajów neurogleju — cztery w ośrodkowym układzie nerwowym i dwa w PNS. Te komórki glejowe są zaangażowane w wiele wyspecjalizowanych funkcji oprócz wsparcia neuronów. Neurogleje w OUN obejmują astrocyty, komórki mikrogleju, komórki wyściółki i oligodendrocyty. W PNS komórki satelitarne i komórki Schwanna to dwa rodzaje neurogleju.

    Astrocyty

    Astrocyty mają kształt gwiazdy i są najliczniejszą komórką glejową w OUN. Posiadają wiele procesów promieniujących, które pomagają w przyleganiu do neuronów i naczyń włosowatych. Wspierają i wzmacniają neurony oraz zakotwiczają je w liniach dostarczających składniki odżywcze. Pomagają również w kierowaniu migracją młodych neuronów. Astrocyty kontrolują środowisko chemiczne wokół neuronów.

    Komórki mikrogleju

    Komórki mikrogleju są małe i jajowate, nie mają kształtu kolczastego. Znajdują się w OUN. Kiedy atakujący mikroorganizm lub martwe neurony są obecne, komórki mikrogleju mogą przekształcić się w fagocytarnego makrofaga i pomóc w oczyszczeniu resztek neuronalnych.

    Komórki wyściółkowe

    Komórki wyściółki są rzęskami i wyściełają centralne wnęki mózgu i rdzenia kręgowego, gdzie tworzą dość przepuszczalną barierę między płynem mózgowo-rdzeniowym, który wypełnia te wnęki, a komórkami tkanki OUN.

    Oligodendrocyty

    Oligodendrocyty układają się wzdłuż nerwów i wytwarzają izolacyjną osłonę zwaną osłonką mielinową. Znajdują się w OUN.

    Komórki satelitarne

    Komórki satelitarne otaczają ciała komórek neuronowych w obwodowym układzie nerwowym (PNS). Są analogiczne do astrocytów w OUN.

    Komórki Schwanna

    Komórki Schwanna otaczają wszystkie włókna nerwowe w obwodowym układzie nerwowym i tworzą otoczki mielinowe wokół włókien nerwowych. Można je znaleźć w PNS. Ich funkcja jest podobna do oligodendrocytów.

    Neurony

    Neurony składają się z ciała komórki i jednego lub więcej smukłych procesów. Ciało komórki nerwowej składa się z jądra i szorstkiej retikulum endoplazmatycznego lub ciał Nissla. Ciało komórki jest głównym centrum biosyntezy neuronu i zawiera zwykłe organelle do syntezy białek i innych substancji chemicznych. Procesy przypominające ramiona rozciągają się od ciała komórki do wszystkich neuronów.

    Dwa typy procesów neuronowych nazywane są dendrytami i aksonami. Dendryty to neurony ruchowe, które są krótkie i mają dużą powierzchnię do odbierania sygnałów z innych neuronów. Dendryty przekazują przychodzące wiadomości w kierunku ciała komórki i dlatego nazywane są obszarem odbioru.

    Akson powstaje z części ciała komórki w kształcie stożka, zwanej wzgórkiem aksonu. Funkcjonalnie akson jest przewodzącym regionem neuronu i jest odpowiedzialny za generowanie i przekazywanie impulsów zwykle z dala od ciała komórki. Pojedynczy akson kieruje impuls nerwowy z ciała komórki do innego neuronu lub narządu efektorowego. Akson może mieć wiele końcowych odgałęzień, więc za każdym razem, gdy nerw się uruchamia, może stymulować więcej niż jedną komórkę.


    Kompleksowy przegląd biologii molekularnej glejaka ludzkiego: co powinien wiedzieć klinicysta

    Biologia molekularna glejaka ludzkiego to złożona i szybko rozwijająca się dziedzina, w której podstawowe badania muszą spełniać oczekiwania kliniczne w zakresie skuteczności przeciwnowotworowej. Chociaż wiele wysiłku wkłada się w badania biologii molekularnej, nadal brakuje znaczącego wkładu w jakość życia i ogólne przeżycie. Ogrom literatury z zakresu biologii molekularnej praktycznie uniemożliwia klinicystom bycie na bieżąco w tej dziedzinie. W niniejszej pracy dokonano przeglądu niektórych praktycznych koncepcji dotyczących nowotworzenia glejaka z perspektywy klinicysty. Omówiono pięć głównych aspektów: główne wewnątrzkomórkowe szlaki sygnałowe zaangażowane w powstawanie glejaka cechy genomowe, epigenetyczne i transkryptomiczne glejaka wartości prognostyczne i predykcyjne markerów molekularnych zgodnie z nową klasyfikacją guzów glejowych WHO znaczenie heterogeniczności molekularnej i komórkowej w glejaku, odpowiedzialny za jego odporność na terapię i interakcję między glejakiem a układem odpornościowym, w świetle nowych i obiecujących terapii celowanych.

    To jest podgląd treści subskrybowanych, dostęp za pośrednictwem Twojej instytucji.


    Abstrakcyjny

    Na funkcję obwodu nerwowego mogą drastycznie wpływać zmiany liczby komórek wytwarzanych podczas rozwoju lub zmniejszenie liczby komórek dorosłych z powodu choroby. Z tego powodu w rozwijającym się i dorosłym mózgu działają unikalne mechanizmy cyklu komórkowego i kontroli wzrostu komórek. w muszka owocowa a w nerwowych komórkach macierzystych i progenitorowych ssaków mechanizmy te są ściśle skoordynowane z wiekiem rozwojowym oraz stanem żywieniowym, metabolicznym i hormonalnym zwierzęcia. Defekty proliferacji nerwowych komórek macierzystych, które powodują generowanie nieprawidłowej liczby komórek lub defekty różnicowania nerwowych komórek macierzystych, mogą powodować małogłowie lub megalencefalię.


    Biolodzy badają wpływ bisfenoli na komórki nerwowe

    Plastyfikatory zawarte w wielu przedmiotach codziennego użytku mogą zaburzać ważne funkcje mózgu człowieka. Biolodzy z University of Bayreuth ostrzegają przed tym niebezpieczeństwem w artykule w: Biologia komunikacji. Ich badania pokazują, że nawet niewielkie ilości plastyfikatorów bisfenolu A i bisfenolu S zakłócają transmisję sygnałów między komórkami nerwowymi w mózgach ryb. Naukowcy uważają za bardzo prawdopodobne, że podobne zakłócenia mogą wystąpić również w mózgach dorosłych ludzi. Wzywają zatem do szybkiego opracowania alternatywnych plastyfikatorów, które nie stanowią zagrożenia dla ośrodkowego układu nerwowego.

    Bisfenole to plastyfikatory, które można znaleźć w wielu produktach z tworzyw sztucznych na całym świecie – na przykład w opakowaniach żywności, plastikowych zastawach stołowych, butelkach do picia, zabawkach, plombach do zębów i smoczkach dla niemowląt. W ostatnich latach wiązano już z nimi liczne zagrożenia dla zdrowia, zwłaszcza z bisfenolem A (BPA). Zespół badawczy Bayreuth kierowany przez dr Petera Machnika z grupy badawczej Animal Physiology (kierowanej przez prof. dr Stefana Schustera) po raz pierwszy zbadał wpływ plastyfikatorów na transmisję sygnału między komórkami nerwowymi w mózgu osoby dorosłej. Badanie obejmuje nie tylko BPA, ale także bisfenol S (BPS), który często uważany jest za mniej szkodliwy dla zdrowia. Ich odkrycia: Oba plastyfikatory zaburzają komunikację między komórkami nerwowymi mózgu.

    Trwałe uszkodzenie układu nerwowego

    Szkodliwy wpływ na mózg wpływa głównie na delikatną równowagę między różnymi funkcjami neuronalnymi. Podczas gdy niektóre komórki mózgowe przekazują sygnały, które wywołują stan pobudzenia w dalszych komórkach, inne komórki mózgowe mają funkcję hamowania dalszych komórek. Jednak koordynacja zarówno pobudzenia, jak i hamowania jest niezbędna dla nienaruszonego ośrodkowego układu nerwowego. „Dobrze wiadomo, że wiele zaburzeń w układzie nerwowym kręgowców jest wywołanych tym, że sygnały pobudzające i sygnały hamujące nie są lub są nieodpowiednio skoordynowane. Tym bardziej jest więc alarmujące, że plastyfikatory BPA i BPS w istotny sposób zaburzają to właśnie koordynacji” – wyjaśnia dr Peter Machnik, główny autor badania.

    „Byliśmy zaskoczeni, jak na wiele ważnych funkcji mózgu ryb wpływają plastyfikatory stosowane w wielu gałęziach przemysłu. Uszkodzenie to, jak udało nam się wykazać, nie następuje natychmiast. Jednak, gdy komórki mózgowe są narażone na działanie niewielkich ilości BPA lub BPS przez miesiąc, szkody są niewątpliwe – mówi Elisabeth Schirmer, doktorantka z Bayreuth i pierwsza autorka badania. Okazuje się, że plastyfikatory wpływają na potencjał czynnościowy komórek mózgowych. Zmieniają chemiczną i elektryczną transmisję sygnałów przez synapsy. Ponadto zaburzają obwody ważne dla percepcji i przetwarzania bodźców akustycznych i wizualnych.

    Badania nad komórkami Mauthnera w złotych rybkach

    Odkrycie szkód powodowanych przez plastyfikatory pochodzi ze szczegółowych badań żywych złotych rybek. Skupiono się na dwóch największych komórkach nerwowych w mózgu ryby, komórkach Mauthnera. Integrują wszystkie bodźce sensoryczne, które muszą być przetwarzane szybko i w precyzyjnie skoordynowany sposób, gdy zbliżają się drapieżniki. W tym przypadku komórki Mauthnera wywołują ratujące życie reakcje ucieczki. Dzięki tej funkcji, która jest niezbędna do przetrwania, stały się szczególnie wytrzymałe w toku ewolucji. Komórki Mauthnera są w stanie do pewnego stopnia odeprzeć szkodliwe wpływy lub później zrekompensować szkody. Tym bardziej istotne jest to, że plastyfikatory są w stanie spowodować znaczne uszkodzenia tych komórek.

    Możliwość przenoszenia wyników na ludzi -- Zapotrzebowanie na alternatywne plastyfikatory

    „Odkrycia uzyskane w badaniach na mózgach ryb uzasadniają ocenę, że BPA i BPS mogą również poważnie uszkadzać mózgi dorosłych ludzi. Na tym tle ważne jest, aby nauka i przemysł opracowały nowe plastyfikatory, które zastąpią te bisfenole, będąc jednocześnie bezpiecznymi dla ludzi. zdrowie” – mówi dr Peter Machnik. Prof. dr hab. Stefan Schuster dodaje: „Skuteczność technik badawczych, które zastosowaliśmy w naszym badaniu, może dodatkowo stanowić cenną pomoc w rozwoju alternatywnych plastyfikatorów. wpływa na komórki mózgowe”.

    Badania zostały sfinansowane przez Niemiecką Fundację Badawczą (DFG) w ramach projektu Reinhart Koselleck.


    Część 2: Naprzemienny dostęp transportera glukozy

    00:00:09.01 Cześć. Jestem Nieng Yan.
    00:00:10.05 jestem profesorem w Szkole Medycznej,
    00:00:13.28 Uniwersytet Tsinghua, Pekin, Chiny.
    00:00:15.02 Witamy w cyklu seminariów iBiology.
    00:00:17.25 W części 2,
    00:00:19.13 Chciałbym się z tobą podzielić
    00:00:20.29 jedno duże zainteresowanie badawcze w moim laboratorium.
    00:00:24.03 Czyli wyjaśnienie struktury
    00:00:25.29 jednego bardzo fundamentalnego procesu fizjologicznego
    00:00:29.16, wychwyt glukozy przez komórki.
    00:00:33.25 Wszyscy wiemy, że glukoza jest podstawowym źródłem energii
    00:00:37.10 do większości żyć na Ziemi.
    00:00:39.28 Z podręcznika biochemii
    00:00:42.23 lub biologia komórkowa,
    00:00:44.10 wszyscy dowiedzieliście się, jak spalana jest glukoza
    00:00:48.08, aby uwolnić energię do podtrzymania życia.
    00:00:50.14 Dzięki glikolizie wiemy, że
    00:00:52.08 jedna cząsteczka glukozy zostaje podzielona na
    00:00:55.29 dwie cząsteczki pirogronianu,
    00:00:57.06 i podczas tego procesu
    00:00:59.01 generowane są dwie cząsteczki ATP.
    00:01:01.23 A w warunkach aerobowych
    00:01:05.13 cząsteczki pirogronianu
    00:01:08.06 są dalej spalane przez cykl TCA,
    00:01:10.24 lub cykl kwasu cytrynowego,
    00:01:13.02 i łańcuch transportu elektronów,
    00:01:15.17 aby wytworzyć dwutlenek węgla.
    00:01:20.03 I podczas tego procesu.
    00:01:21.20 Mam na myśli, że jeśli to całkowity metabolizm,
    00:01:24.05 wtedy jedna glukoza może być użyta do
    00:01:26.26 produkują ponad 30 cząsteczek ATP.
    00:01:30.00 To jest energetyczna waluta na całe życie.
    00:01:34.13 Jednak przed metabolizmem glukozy
    00:01:38.12 jest też jeden krytyczny krok
    00:01:40.17 -- czyli przenoszenie glukozy do komórki.
    00:01:44.15 Od części 1,
    00:01:46.07 Mówiłem już, że glukoza
    00:01:47.28 jest wysoce hydrofilowy,
    00:01:51.08 co oznacza, że ​​są rozpuszczalne w wodzie.
    00:01:52.08 Jednak komórka jest otoczona przez
    00:01:56.22 hydrofobowa dwuwarstwa lipidowa.
    00:01:57.26 Tak więc glukoza nie może dostać się do komórki
    00:02:00.02 poprzez swobodną dyfuzję.
    00:02:01.13 Muszą być różne białka
    00:02:04.24 by pośredniczyć w tym procesie.
    00:02:06.18 Białka te nazywane są transporterami glukozy.
    00:02:10.14 Tak więc, jak widzimy tutaj,
    00:02:14.19 transporter glukozy jest ważny,
    00:02:16.16 ma zasadnicze znaczenie dla wychwytu glukozy przez komórki.
    00:02:20.07 I przez lata
    00:02:23.14 zidentyfikowaliśmy różne typy transporterów glukozy,
    00:02:27.01 i coraz więcej transporterów glukozy jest identyfikowanych,
    00:02:31.06 ale wśród wszystkich tych,
    00:02:33.03 najbardziej rygorystycznie scharakteryzowane
    00:02:37.13 nazywane są GLUT, jak pokazano tutaj,
    00:02:38.25 G-L-U-T,
    00:02:40.26 transportery glukozy.
    00:02:43.18 Tak więc w ludzkich ciałach
    00:02:47.22 istnieje ogromna rodzina zwana
    00:02:49.15 główna superrodzina moderatorów,
    00:02:51.07 i GLUT należą do tej rodziny.
    00:02:52.16 Nawet w rodzinie GLUT,
    00:02:54.23 istnieje 14 różnych izoform
    00:02:57.01, które wykazują specyficzność tkankową
    00:02:59,28 i specyficzność substratowa.
    00:03:02.05 Jak podsumowano tutaj, na przykład
    00:03:05.04 GLUT1 działa w mózgu i czerwonych krwinkach,
    00:03:08.28 a GLUT2 jest dla wątroby.
    00:03:11.28 GLUT3 jest również nazywany neuronalnym transporterem glukozy,
    00:03:14.27 wskazując, że działa w neuronach.
    00:03:17.10 A GLUT4 jest bardzo sławny
    00:03:19.14 -- pobiera glukozę do adipocytów i komórek mięśniowych.
    00:03:24.27 Więc to są cztery najbardziej znane GLUT
    00:03:28.19 -- GLUT 1, 2, 3, 4.
    00:03:30.13 A dla pozostałych 10 różnych izoform,
    00:03:32.28 niestety dla niektórych z nich
    00:03:35.07 ich substraty pozostają niescharakteryzowane.
    00:03:38.24 Och, poza tym, dla tych transporterów glukozy,
    00:03:41.07 pomimo podobieństwa sekwencji do siebie,
    00:03:44.00 faktycznie mogą mieć
    00:03:47.11 różne powinowactwa wiązania dla glukozy
    00:03:51.06 oraz dla innych podobnych cukrów,
    00:03:54.19 i mają różne wskaźniki rotacji.
    00:03:56.24 Na przykład GLUT1 może przyjąć
    00:04:00.25 do 1200 glukozy na sekundę,
    00:04:04.09 ale to jest. tak, to bardzo szybko.
    00:04:06.13 jednak GLUT3.
    00:04:08.19 dla GLUT3 liczba to 6000.
    00:04:10.09 jest pięć razy szybszy niż GLUT1,
    00:04:13.15 i to jest niesamowite.
    00:04:15.05 Ze względu na ich fundamentalne znaczenie
    00:04:18.02 znaczenie w fizjologii,
    00:04:19.28 możesz sobie wyobrazić,
    00:04:21.10 nieprawidłowe działanie lub nieprawidłowa regulacja tych białek
    00:04:24.29 są związane z różnymi chorobami.
    00:04:28.17 Na przykład zespół niedoboru GLUT1
    00:04:31.20 to właściwie rzadka choroba genetyczna
    00:04:34.13 objawiające się napadami o wczesnym początku
    00:04:37.24 lub opóźniony rozwój.
    00:04:40.10 I GLUT2, ponieważ jest związany z wątrobą.
    00:04:43.15 więc mutacje GLUT2
    00:04:46.11 są związane z
    00:04:50.12 rodzaj choroby zwany zespołem Fanconiego-Bickela.
    00:04:52.24 I coraz więcej dowodów pokazuje, że
    00:04:57.02 GLUT1 i GLUT3 ulegają nadekspresji w komórkach rakowych,
    00:05:01.19 szczególnie komórki guza litego,
    00:05:04.11 z powodu tak zwanego efektu Warburga.
    00:05:06.01 Właśnie ci powiedziałem,
    00:05:08.26 bez tlenu jedna glukoza może być
    00:05:11.23 przekształcone w pirogronian.
    00:05:13.01 Podczas tego procesu generowane są dwie cząsteczki ATP.
    00:05:15.17 Jednak w obecności tlenu
    00:05:18.23 czyli aromatyczne.
    00:05:20.18 lub, przepraszam, warunki aerobowe,
    00:05:22.28 około. Mam na myśli ponad 30 cząsteczek ATP
    00:05:25.02 można wygenerować.
    00:05:26.10 W przypadku guzów litych,
    00:05:27.26 to zwykle w warunkach niedotlenienia.
    00:05:30.23 Tak. wiesz, to znaczy, że może tylko.
    00:05:34.22 jedna glukoza może wytworzyć tylko dwa ATP.
    00:05:37.10 W konsekwencji więcej transporterów glukozy
    00:05:39,25 muszą być wyrażone
    00:05:43.14 aby wziąć więcej cukru
    00:05:46.08 zrekompensować te kwoty.
    00:05:47.23 A dla GLUT4,
    00:05:49.12 jest bardzo sławny z powodu
    00:05:51.10 jego związek z cukrzycą typu 2
    00:05:54.17 i otyłość.
    00:05:56.29 Tak więc, jak już wspomniałem,
    00:05:59.03 transportery glukozy należą do
    00:06:01.12 tak zwana nadrodzina głównych facylitatorów.
    00:06:04.25 W rzeczywistości
    00:06:06.27 są prototypami tego
    00:06:09.10 największa rodzina drugorzędnych aktywnych transporterów.
    00:06:12.22 A dla członków tej rodziny,
    00:06:16.00 w rzeczywistości są szeroko rozpowszechnione wśród gatunków,
    00:06:19.04 od bakterii do ludzi.
    00:06:20.17 I członkowie tej rodziny
    00:06:22.07 mają bardzo szerokie spektrum substratów,
    00:06:25.22 z jonów, cukrów,
    00:06:28.07 aminokwasy, a nawet peptydy.
    00:06:31.05 A jeśli chodzi o mechanizmy transportowe,
    00:06:35.26 jeśli oglądałeś już część 1,
    00:06:39.08 w rzeczywistości członkowie tej rodziny mogą być
    00:06:42.02 uniporterzy, symporterzy lub antyporterzy.
    00:06:44.15 Dotyczy to orientacji transportu.
    00:06:47.00 I, jak ci również powiedziałem,
    00:06:49.20 ogólny dostęp naprzemienny
    00:06:53.18 model lub mechanizm
    00:06:55.08 został zaproponowany do rozliczenia
    00:06:56.29 for all the secondary transporters.
    00:06:58.23 Especially for MFS members,
    00:07:01.05 this works very well.
    00:07:02.27 And we thought that because
    00:07:04.24 GLUTs are the prototypes in the understanding of this family,
    00:07:07.17 so structural and biochemical characterization of GLUTs
    00:07:12.17 may also shed light on the understanding
    00:07:15.04 of other members of this largest family.
    00:07:18.07 Okay, why is it a prototype,
    00:07:20.16 especially GLUT1?
    00:07:22.08 Because it was one of the
    00:07:24.29 first transporters to be cloned
    00:07:26.26 and characterized.
    00:07:29.06 So, let me bring you to the history.
    00:07:31.05 Actually, the characterization of glucose uptake
    00:07:35.15 into our blood cells
    00:07:38.01 can be dated back to about a century ago.
    00:07:40.15 And at that time it was already discovered that
    00:07:45.22 the uptake rate or the "diffusion".
    00:07:47.15 at that time people didn't know it's active transport,
    00:07:50.03 so they still called it diffusion.
    00:07:52.25 but one PhD student found that
    00:07:56.03 the diffusion coefficient is actually concentration dependent,
    00:07:59.09 suggesting it was not free diffusion.
    00:08:02.00 In 1948, LeFevre, in one paper,
    00:08:05.24 speculated on the active transport component,
    00:08:10.03 although he didn't specify
    00:08:11.22 whether it was protein or something else,
    00:08:13.15 but he just speculated there would be
    00:08:16.15 an active transport mechanism.
    00:08:19.04 And in the 1950s, Widdas,
    00:08:21.00 in his very famous paper,
    00:08:23.12 proposed a so-called mobile solute carrier mechanism.
    00:08:26.21 As a matter of fact,
    00:08:29.02 this mechanism was so famous
    00:08:30.19 that all the secondary transporters in humans
    00:08:35.15 are named after SLC.
    00:08:38.24 So, for example, GLUT1 is actually.
    00:08:41.08 the gene name for GLUT1 is SLC2A1,
    00:08:45.06 but don't call it slack,
    00:08:47.02 because scientists don't like that name,
    00:08:49.11 so it's SLC.
    00:08:51.17 And then.
    00:08:53.04 and so far it's all about these components.
    00:08:55.04 And in 1977, these scientists
    00:08:58.18 actually were able to purify
    00:09:01.14 the protein component from red blood cells
    00:09:04.01 and reconstitute them into a liposome,
    00:09:07.01 and they reconstituted the uptake of glucose.
    00:09:10.13 So, they named this protein component
    00:09:12.22 GLUT1.
    00:09:14.17 And then, in 1985,
    00:09:16.12 Harvey Lodish's lab cloned GLUT1,
    00:09:19.20 and when the sequence was available
    00:09:22.20 it was clear that this protein contains
    00:09:25.16 12 transmembrane helices.
    00:09:27.24 And in the 1990s,
    00:09:30.26 the study efforts were shifted
    00:09:33.16 to the pathophysiological investigations,
    00:09:35.25 as well as structural characterizations,
    00:09:38.10 because we would like to understand their structure,
    00:09:41.07 to see their structure,
    00:09:42.17 so as to understand
    00:09:44.18 its functional mechanism and disease mechanism.
    00:09:47.13 However, 30 years.
    00:09:49.24 almost 30 years passed.
    00:09:52.11 so what we learned from the textbook
    00:09:54.01 about the structure of GLUT1 was still this,
    00:09:56.26 the one published by Harvey Lodish in 1985.
    00:10:00.19 This is the topological structure.
    00:10:03.06 Alright, umm.
    00:10:05.12 so, I started my lab in 2007
    00:10:07.17 and we were very interested in the structure of GLUTs
    00:10:10.14 because we thought it could help
    00:10:13.00 address a lot of interesting questions,
    00:10:14.25 as listed here.
    00:10:16.05 Of course, the first thing is
    00:10:19.01 you try to see the architecture of GLUTs,
    00:10:21.18 that's the most direct, but superficial, purpose.
    00:10:25.04 And with the structure
    00:10:27.14 we might be able to reveal
    00:10:29.11 the molecular basis underlying the substrate selectivity,
    00:10:32.14 why it selects glucose,
    00:10:35.22 but not, for example, maltose.
    00:10:38.19 And we.
    00:10:40.14 because we understand that these transporters
    00:10:43.09 follow this alternating access cycle,
    00:10:46.07 so we'd like to reveal the conformational changes
    00:10:48.26 during the transport cycle,
    00:10:50.12 to understand their functional mechanism.
    00:10:54.00 And we also hope to
    00:10:57.12 provide a molecular interpretation
    00:10:59.10 for all these disease-related mutations.
    00:11:03.26 And, for my own research,
    00:11:06.27 I'm also very interested in the difference,
    00:11:08.21 the mechanistic difference,
    00:11:10.05 between symporters,
    00:11:11.20 particularly proton symporters,
    00:11:13.16 and facilitators,
    00:11:15.01 but I may not have time to go into the details of this part.
    00:11:17.27 And finally, because membrane proteins
    00:11:21.18 are embedded in the lipid bilayer,
    00:11:24.05 we would really like to understand
    00:11:27.00 how they are modulated by lipids,
    00:11:28.28 and there are more and more questions.
    00:11:30.15 they just emerge during your research.
    00:11:32.26 So, to address these questions,
    00:11:34.27 we started not with a glucose transporter,
    00:11:37.26 but with their relatives,
    00:11:40.21 their relatives from E. coli,
    00:11:42.21 which are technically easier than the human protein.
    00:11:46.24 So we determined the two structures of
    00:11:50.09 E. coli proton-sugar symporters,
    00:11:53.02 FucP and XylE.
    00:11:55.21 So, as the name indicated,
    00:11:58.02 they are proton symporters,
    00:11:59.12 meaning they exploit this transmembrane proton gradient
    00:12:02.18 to drive the uptake of the substrates,
    00:12:05.08 either L-fucose or D-xylose,
    00:12:07.21 from a low concentration environment
    00:12:10.20 to the high concentration interior of the cell.
    00:12:13.13 In the past three years, we were very lucky.
    00:12:16.27 We were finally able to determine
    00:12:18.21 the crystal structures of GLUT1,
    00:12:21.08 and its closely related GLUT3,
    00:12:24.25 in three different conformations.
    00:12:27.02 That means they adopt different states
    00:12:30.04 during a transport cycle,
    00:12:31.21 as shown here.
    00:12:32.25 So, all the way from
    00:12:35.22 outward-open, occluded, and inward-open.
    00:12:37.18 When I say outward or inward,
    00:12:40.08 that refers to the substrate binding site,
    00:12:42.21 that is. remember, for the alternating access,
    00:12:47.01 that is. the substrate binding site
    00:12:48.28 can never be exposed
    00:12:50.29 to both sides of the membrane,
    00:12:54.09 so it's always open to one side,
    00:12:55.27 the substrate comes,
    00:12:57.07 and this protein undergoes conformational change
    00:13:00.04 to expose the substrate
    00:13:02.07 to the other side.
    00:13:03.20 This is called alternating access.
    00:13:05.13 So, with these three structures,
    00:13:07.00 we have a relatively better understanding
    00:13:08.23 of this transport cycle of GLUTs.
    00:13:11.16 Alright, first thing.
    00:13:13.06 To address the question of the architecture.
    00:13:15.19 but, before that, I know
    00:13:19.18 many people are interested in the crystallization of membrane proteins
    00:13:21.28 and GLUT1 has been a target for several decades.
    00:13:25.12 Why were we able to crystallize
    00:13:28.19 and determine the structure
    00:13:30.17 of this very intriguing protein?
    00:13:31.15 In retrospect, there are three key elements
    00:13:35.23 that contributed to the crystallization of GLUT1
    00:13:38.26 and gave us the diffracting crystals.
    00:13:41.21 First, we actually introduced point mutations.
    00:13:45.01 first is to eliminate glycosylation,
    00:13:47.10 which really represents major troubles
    00:13:50.29 for crystallization.
    00:13:52.12 And the other point mutation,
    00:13:54.17 glutamate-329 to glutamine,
    00:13:57.10 this one is a disease-related mutation
    00:14:00.18 originally identified in GLUT4,
    00:14:03.02 and it was suggested to l
    00:14:05.21 ock the protein in the inward-open conformation,
    00:14:08.24 which was exactly the case, as seen in our structure.
    00:14:12.09 And second, on the detergent we used for crystallization
    00:14:16.01 is nonyl-glucoside.
    00:14:17.03 I will come back later with
    00:14:19.01 why this was important.
    00:14:20.04 And third, you know, for glucose transporters,
    00:14:22.05 they are highly mobile,
    00:14:23.14 so we would try to slow them down,
    00:14:25.08 to lock them at certain conformations,
    00:14:27.08 so we did all the experiments at low temperature,
    00:14:29.21 at 4 degrees Celsius
    00:14:31.08 -- that helped a lot.
    00:14:33.06 And to cut a long story short,
    00:14:35.25 one particular day my student showed me these crystals,
    00:14:39.06 these tiny crystals.
    00:14:40.21 I thought, probably,
    00:14:43.02 they were contaminations from insect cells,
    00:14:45.08 however, you know,
    00:14:47.07 it doesn't hurt to send them to the synchrotron
    00:14:49.29 for data collection
    00:14:51.08 and we sent this single crystal
    00:14:53.08 to the Shanghai synchrotron,
    00:14:54.24 and several hours later
    00:14:56.12 we solved the structure
    00:14:58.13 that was exactly our target, GLUT1.
    00:15:00.16 As shown here, this structure
    00:15:04.00 exhibits a very typical MFS fold,
    00:15:08.02 remember, major facilitator superfamily.
    00:15:10.11 It contains 12 transmembrane helices,
    00:15:13.10 with the first 6 named the
    00:15:17.14 N-domain or the N-terminal domains,
    00:15:19.03 shown in silver,
    00:15:20.26 and the C-terminal one in blue.
    00:15:23.07 And very unexpectedly,
    00:15:25.01 we also see an intracellular helical domain,
    00:15:28.25 we named it ICH.
    00:15:30.07 Actually, this domain.
    00:15:32.03 this little domain harbors
    00:15:34.03 a lot of serine or threonine or lysine,
    00:15:36.27 so these residues are probably
    00:15:38.28 important for their post-translation modification.
    00:15:42.01 Now, with this structure,
    00:15:43.27 we really can provide the answer to many questions.
    00:15:49.05 So, as I asked at the beginning
    00:15:52.03 -- so, what is the mechanism of substrate selectivity?
    00:15:55.07 For this purpose, we actually examined,
    00:15:57.18 through a biochemical approach,
    00:16:01.13 the sugar selectivity by GLUT1 and GLUT3,
    00:16:04.09 shown here are the results for GLUT3.
    00:16:06.14 As you can see, indeed,
    00:16:08.13 this protein has kind of a stringent selectivity,
    00:16:14.13 and one.
    00:16:15.16 wherever you see these lower,
    00:16:17.09 these shorter bars,
    00:16:19.02 that means these sugars
    00:16:21.09 can inhibit the uptake of glucose,
    00:16:23.27 meaning that they can be recognized by GLUT3,
    00:16:25.23 to compete for glucose binding.
    00:16:28.19 And when we examined these chemicals,
    00:16:31.06 very interestingly
    00:16:33.09 we found one common feature,
    00:16:34.23 that is, their C3 hydroxyl group
    00:16:37.22 all points to one orientation,
    00:16:39.23 so that means that C3 hydroxyl group is important.
    00:16:43.02 That's the conclusion from biochemistry,
    00:16:46.29 from our biochemical characterizations.
    00:16:49.20 Then, how is one sugar molecule
    00:16:52.29 recognized by the protein?
    00:16:55.00 So, the answer is from the
    00:16:56.24 very high resolution structure of GLUT3.
    00:16:59.06 So, we determined GLUT3
    00:17:02.10 in complex with its substrate, D-glucose,
    00:17:04.10 at 1.5 Angstrom resolution,
    00:17:08.13 and shown here is the omit electron density map.
    00:17:10.19 As you can see, it's beautiful.
    00:17:12.21 To our surprise, we identified.
    00:17:15.11 although we just, you know,
    00:17:17.20 add glucose to the protein
    00:17:19.11 and we identified two different
    00:17:22.05 anomeric forms of glucose,
    00:17:26.01 simply by the electron density map.
    00:17:27.23 As you can see, both alpha and beta glucose
    00:17:31.20 are present in the structure.
    00:17:33.26 I mean, I have to clarify.
    00:17:35.15 so, one protein can only bind to one glucose,
    00:17:39.03 but for crystallography, you know,
    00:17:41.15 this is the average of many billions of molecules,
    00:17:44.18 so you know some proteins bind to the alpha form,
    00:17:47.16 some bind to the beta form.
    00:17:49.16 And this observation,
    00:17:51.07 this structural observation
    00:17:53.02 actually settled down one long-term controversy,
    00:17:55.13 that is, whether glucose transporters
    00:17:58.19 can recognize the alpha form of glucose,
    00:18:01.26 because we know the beta form is the prevailing one,
    00:18:04.18 the dominant form in solution.
    00:18:05.22 And this observation shows, yes,
    00:18:07.28 GLUT1 or GLUT3,
    00:18:09.20 they can bind and transport
    00:18:12.15 both anomeric forms of D-glucose.
    00:18:16.05 Alright.
    00:18:17.28 Another interesting discovery is that,
    00:18:19.20 as I told you,
    00:18:21.04 glucose transporters have two distinct domains,
    00:18:24.08 N-domain and C-domain.
    00:18:26.08 However, in the structure of GLUT3
    00:18:28.19 in complex with glucose,
    00:18:31.17 as well as in the structure of GLUT1
    00:18:34.03 in the presence of this detergent molecule NG.
    00:18:37.27 what is NG?
    00:18:39.04 It is actually a derivative of glucose,
    00:18:41.21 so that's why NG is important for us
    00:18:44.09 to capture the structure of GLUT1
    00:18:46.09 -- it mimics the substrate binding.
    00:18:48.13 And if you compare these two structures,
    00:18:50.11 a common feature is
    00:18:52.08 the C-domain provides
    00:18:54.08 the primary accommodation site for glucose,
    00:18:58.22 so the C-domain
    00:19:01.09 is the primary substrate binding site.
    00:19:04.04 Then, what does the N-domain do?
    00:19:07.08 Alright.
    00:19:08.14 So, before that, you know,
    00:19:10.10 we tried to complete the alternating access cycle
    00:19:13.09 by, you know.
    00:19:16.11 in the attempt to capturing another conformation,
    00:19:19.09 that is, the outward-open,
    00:19:20.28 because now we have GLUT3
    00:19:23.01 in complex with glucose
    00:19:25.01 in the occluded conformation,
    00:19:26.10 that is, the substrate is trapped
    00:19:28.10 in the center of the transporter
    00:19:31.20 and isolated from either side of the membrane.
    00:19:34.22 And GLUT1 is open to the inside of the cell,
    00:19:38.02 so it's called inward-open.
    00:19:39.11 Now, we still need this outward-open conformation.
    00:19:44.00 In order to capture the outward-open structure,
    00:19:46.18 we really had some rational thinking.
    00:19:49.04 So, people always say that
    00:19:51.01 crystallization is an art,
    00:19:52.12 it seems like you have to do a lot of screening,
    00:19:54.12 but in this case we really did
    00:19:57.10 some rational thinking.
    00:19:58.09 That is, when we obtained the structure of GLUT1,
    00:20:00.22 I told you NG is important, right?
    00:20:04.02 So we introduced several factors,
    00:20:05.22 like the mutation E329Q,
    00:20:08.28 that is, to lock the inward-open conformation,
    00:20:10.19 and then when we see the binding of NG to the protein,
    00:20:13.28 as you can see on the tail,
    00:20:16.01 the aliphatic tail of this detergent,
    00:20:17.29 it actually is
    00:20:20.20 lining down the intracellular vestibule,
    00:20:24.18 when the sugar moeity is
    00:20:27.19 specifically coordinated by the C-terminal domain.
    00:20:30.06 So, along.
    00:20:31.18 so, basically, the presence of this aliphatic tail
    00:20:35.00 precludes the closure of these two domains
    00:20:39.00 on the intracellular side,
    00:20:40.22 that is, to stabilize this inward-open conformation
    00:20:44.08 -- with this aliphatic tail,
    00:20:46.19 it cannot close, right?
    00:20:48.10 So, along this line of thinking,
    00:20:50.27 we thought, if we can find a chemical,
    00:20:53.07 a glucose derivative,
    00:20:55.07 that has some chemical groups
    00:20:57.14 on the other side,
    00:20:59.08 on the upper side of the sugar ring,
    00:21:01.06 probably that can preclude
    00:21:04.12 the closure of the protein on the extracellular side,
    00:21:07.01 that is, to capture
    00:21:09.24 an outward-open conformation.
    00:21:11.02 Do we have these kind of chemicals?
    00:21:12.29 Yes, we have a lot of disaccharides
    00:21:15.22 that are derivatives of glucose.
    00:21:17.28 As shown here, we selected a few
    00:21:20.15 and we examined their ability to inhibit glucose uptake.
    00:21:24.22 As shown here, it turns out that
    00:21:26.27 maltose was a potent inhibitor,
    00:21:28.26 and when we checked the literature
    00:21:30.22 this was really consistent,
    00:21:32.00 because maltose was regarded.
    00:21:34.06 was suggested as the exofacial inhibitor,
    00:21:37.26 that means it can inhibit glucose uptake
    00:21:40.16 from the extracellular side.
    00:21:44.10 To cut a long story short,
    00:21:45.25 in the presence of maltose
    00:21:47.29 we actually crystallized the protein
    00:21:50.17 using lipidic cubic phase.
    00:21:52.14 It gave us two different structures.
    00:21:56.01 One is almost identical to.
    00:22:00.17 shown on the left, it's almost identical
    00:22:01.28 to the glucose-bound GLUT3,
    00:22:04.17 and is occluded from.
    00:22:06.19 so, maltose is bound in the center,
    00:22:08.16 occluded from either side of the membrane.
    00:22:11.01 But the other crystal form
    00:22:15.03 gives us this outward-open conformation,
    00:22:18.22 so this was really serendipity,
    00:22:21.02 I mean, we just mixed them together
    00:22:22.15 and it gave us two different crystal structures.
    00:22:25.12 So, I will focus on the illustration
    00:22:27.25 of this outward-open conformation,
    00:22:29.02 with comparison of the inward-open GLUT1
    00:22:32.11 and the occluded GLUT3.
    00:22:34.10 So, now we have these three conformations
    00:22:36.28 I showed before.
    00:22:38.06 We could generate a morph
    00:22:40.03 that illustrates the whole transport process.
    00:22:44.17 As you see here,
    00:22:46.25 outward-open, arrival of glucose,
    00:22:48.24 and it undergoes this alternating access
    00:22:52.00 by the relative rotation of these two domains,
    00:22:55.23 and the substrate is released
    00:22:57.15 into the inside of the cell.
    00:23:01.06 And, very interestingly,
    00:23:02.13 remember this small domain,
    00:23:05.12 shown in yellow,
    00:23:06.27 is the ICH, intracellular helical domain,
    00:23:09.17 and during the conformation change,
    00:23:11.13 we can see it also
    00:23:14.04 undergoes interdomain rearrangement.
    00:23:15.26 In a way, it restrains
    00:23:18.07 the N- and the C-domains
    00:23:20.01 from opening too much,
    00:23:21.17 so this ICH domain,
    00:23:23.20 we named it the latch,
    00:23:25.17 to secure this intracellular gate.
    00:23:31.07 Alright.
    00:23:33.03 From the movie you might think, hmm.
    00:23:34.21 these two domains undergo a rigid body rotation,
    00:23:36.21 but close examination of the structures
    00:23:39.27 of the outward-open and occluded GLUT3
    00:23:44.21 suggest, no, it's not rigid body.
    00:23:46.20 Actually, we can see very sophisticated
    00:23:50.06 local rearrangement of the C-domain elements.
    00:23:53.27 As shown here, the one shown in cyan
    00:23:57.06 is the C-domain
    00:24:01.08 and the one in green is the N-domain.
    00:24:02.03 Please pay attention to this TM7 motif.
    00:24:06.02 You can see it undergoes a bending, a bending.
    00:24:10.09 Right? This is TM7.
    00:24:13.02 Not only a bending.
    00:24:15.07 so, when the sidechains are shown,
    00:24:17.06 you will see it actually also undergoes a rotation,
    00:24:21.28 so this TM7 undergoes
    00:24:24.11 very complicated local rearrangement
    00:24:27.20 by bending.
    00:24:29.25 the combination of bending and rotation.
    00:24:32.03 So, whether this is induced by substrate binding
    00:24:34.28 or this is the so-called dynamic equilibrium,
    00:24:38.15 remains to be further characterized,
    00:24:40.22 and our preliminary MD simulations
    00:24:43.06 suggest that this is dynamic equilibrium.
    00:24:47.00 even in the absence of substrate,
    00:24:49.09 you can see this kind of conformational change of TM7.
    00:24:53.00 Now, here's the question.
    00:24:55.18 why the C-domain, shown in cyan,
    00:24:58.04 is so flexible,
    00:24:59.28 whereas the N-domain is just so rigid, as a stone?
    00:25:03.25 And when we examine the interior of these two domains,
    00:25:08.08 the answer is really clear.
    00:25:09.22 So, as shown here,
    00:25:12.10 the red dashes represent hydrogen bonds.
    00:25:16.07 As you can see,
    00:25:18.14 the interior of the N-domain is really hydrophilic,
    00:25:22.28 so the high-resolution structure of GLUT3
    00:25:25.18 allowed us to identify
    00:25:29.02 seven water molecules within the N-domain of GLUT3,
    00:25:32.12 and these water molecules, together,
    00:25:34.02 interact with a set of groups of many polar residues
    00:25:38.10 as a strip of hydrogen bonds,
    00:25:40.01 and this stabilizes the N-domain,
    00:25:45.12 so it makes it very rigid during conformation change.
    00:25:48.04 In contrast, the interior of the C-domain
    00:25:51.14 is highly hydrophobic,
    00:25:54.12 as shown here,
    00:25:55.29 so these hydrophobic residues,
    00:25:57.12 they just contact each other
    00:26:00.12 through Van der Waals interactions,
    00:26:02.07 so they make the interior relatively greasy,
    00:26:05.11 and that's easier for bending and rotation.
    00:26:08.04 So, the structural analysis
    00:26:10.08 really provides a good answer
    00:26:12.05 to account for the distinct features
    00:26:14.12 of the N-domain and the C-domain
    00:26:16.04 during the alternating access cycle.
    00:26:19.19 Alright.
    00:26:21.06 Now, I'll.
    00:26:23.01 shown here is the very simple diagram
    00:26:25.03 of alternating access.
    00:26:26.14 With our structures, the three structures,
    00:26:27.28 we are able to
    00:26:30.15 update this model with more sophisticated features.
    00:26:34.24 As you can see, TM7
    00:26:36.27 and also TM10,
    00:26:38.18 they undergo local conformational change,
    00:26:40.21 and the overall relative rotation
    00:26:42.20 of the N- and the C-domains
    00:26:44.11 results in the alternating exposure
    00:26:48.15 of the substrate to either side of the membrane.
    00:26:50.08 And, besides, please pay attention
    00:26:52.19 to these yellow bars,
    00:26:54.07 they are the intracellular ICH domain,
    00:26:56.08 we call them the latch,
    00:26:57.16 the intracellular latch.
    00:26:59.05 Okay, now with the structure.
    00:27:01.23 We were able to map the disease-related mutations.
    00:27:06.12 Shown her is an example of the mutations
    00:27:08.29 identified in patients
    00:27:11.05 with the so-called GLUT-1 deficiency syndrome.
    00:27:14.04 So, in total, more than 40 mutations were identified.
    00:27:17.10 So, when we mapped them
    00:27:19.06 onto the structure of GLUT1,
    00:27:20.24 very interestingly we realized that
    00:27:24.03 they clustered to three areas,
    00:27:26.25 as shown here.
    00:27:27.29 So, area 1 is really
    00:27:31.11 involved in substrate binding
    00:27:34.03 and it's easy to understand how mutations of this cluster
    00:27:37.19 would affect substrate recognition or substrate binding,
    00:27:40.13 hence compromising the transport activity.
    00:27:44.11 And cluster 2, as shown here,
    00:27:46.29 highlighted by this cyan circle.
    00:27:50.22 the cyan circle.
    00:27:53.09 so, basically they mapped to the interface
    00:27:58.09 between ICH, N-domain, and C-domain,
    00:28:01.14 and they together constitute the intracellular gate.
    00:28:03.10 And, not surprisingly,
    00:28:05.11 cluster 3 maps to the extracellular gate.
    00:28:08.13 So, the structure really provides
    00:28:11.01 a beautiful answer to
    00:28:13.26 understand most of these disease-associated mutations,
    00:28:16.24 so they either affect substrate binding
    00:28:19.19 or the two gates,
    00:28:21.03 hence affecting the alternating access cycle
    00:28:24.06 of the protein.
    00:28:25.18 Alright. Now, with these results,
    00:28:27.12 we can address the questions
    00:28:29.05 asked at the very beginning, right?
    00:28:31.22 So, we know the architecture
    00:28:33.16 and we provide a basis
    00:28:35.20 to see the substrate selection
    00:28:38.06 and we revealed three conformations of GLUT1 and GLUT3
    00:28:43.08 during the transport cycle, the alternating access cycle,
    00:28:48.07 and we provided some answers
    00:28:49.29 to the disease-related mutations.
    00:28:52.10 And, with regard to the mechanistic difference
    00:28:56.10 between symporters and facilitators,
    00:28:58.12 we are now doing some MD simulations
    00:29:00.03 and biochemical characterizations,
    00:29:02.02 and we have some tentative clues,
    00:29:04.16 but this really requires further characterizations.
    00:29:07.29 And now our focus has shifted to
    00:29:11.02 the modulation of the transport activity
    00:29:14.07 by lipids, as well as, you know,
    00:29:16.09 the kinetic study of transport cycles.
    00:29:18.25 And finally, we are very interested in
    00:29:21.13 structure-based ligand design,
    00:29:23.05 because these proteins are important drug targets.
    00:29:27.06 So, with this, I would like to conclude my talk
    00:29:29.15 by acknowledging the people
    00:29:32.22 who made this work possible.
    00:29:34.04 So, Dong, he was my postdoc
    00:29:37.17 who has been the primary driver of this project,
    00:29:40.17 he was leading this team of Tsinghua undergraduate students
    00:29:44.00 and graduate students
    00:29:45.13 to elucidate the structures
    00:29:47.17 of both GLUT1 and GLUT3,
    00:29:49.01 and he's now a professor in Tsinghua University.
    00:29:51.23 And this work was in collaboration with many colleagues,
    00:29:55.23 in Tsinghua or in the US,
    00:29:57.10 as shown here.
    00:29:59.21 And I'd like to thank you for watching this online seminar.

    • Part 1: Introduction to Membrane Transport Proteins


    Obejrzyj wideo: Neurogeneza 5 nawyków na regenerację neuronów (Lipiec 2022).


Uwagi:

  1. Shakar

    Coś takiego nie jest uzyskiwane

  2. Ashvik

    Uważam, że się mylisz. Porozmawiajmy o tym. Napisz do mnie na PW.

  3. Lamar

    Moim zdaniem jest to niewłaściwa droga.

  4. Mugami

    Akceptuję to z przyjemnością. Pytanie jest interesujące, wezmę również udział w dyskusji. Razem możemy dojść do właściwej odpowiedzi.



Napisać wiadomość