研究揭示了保护细胞免于肿胀的神秘安全阀的运作

由斯克里普斯研究所(TSRI)的科学家领导的一个小组通过展示细胞中一个关键的“减压阀”如何完成其​​工作，解决了细胞生物学中一个长期存在的谜团。称为VRAC(体积调节阴离子通道)的安全阀通常可防止细胞摄入过多水分并过度膨胀。但VRAC对细胞健康的重要性才刚刚开始被理解 - 它已经暂时与中风引起的脑损伤，糖尿病，免疫缺陷甚至癌症治疗抵抗有关。

在2016年1月28日发表于Cell的一项研究中，科学家们发现VRAC是一种复杂的结构，含有五种不同的蛋白质亚基 - 其精确的混合决定了它的缓解瓣膜特性。研究小组还确定，VRAC的安全阀功能不是通过细胞本身的物理膨胀来激活，而是通过一个紧密相关的事件激活：由于突然流入细胞而导致的低浓度溶解离子。

“了解VRAC如何组装以及如何运作非常重要，不仅因为它是细胞中的基本调节机制，而且因为它似乎与各种疾病和病症有关，”首席研究员Ardem Patapoutian说道，他是一名教授。 TSRI和霍华德休斯医学研究所(HHMI)研究员。

通过分子汤排序

几十年前，科学家们发现了VRAC的存在，但直到最近才开始识别它的组成部分。2014年初，Patapoutian的实验室和德国的一个独立小组独立发现一个VRAC亚基是一种名为LRRC8A(SWELL1)的蛋白质，这是VRAC正常运作所必需的。然而，当时显而易见的是，VRAC还有其他子单元。

在这项新研究中，Patapoutian及其团队希望更全面地了解VRAC如何组合以及如何感知音量变化。

知道LRRC8A始终存在于VRAC中，共同第一作者赵竹秋，Patapoutian实验室和诺华研究基金会(GNF)基因组学研究所的博士后研究员，创建了测试细胞，生产带有特殊蛋白标签的LRRC8A。标记的LRRC8A用作手柄，将完整的VRAC复合物从细胞中包含的分子汤中拉出。

共同第一作者Ruhma Syeda，也是Patapoutian实验室的博士后研究员，领导了将纯化的VRAC复合物放入模型细胞膜(脂双层)中以测量带电离子的电导。结果令人吃惊。尽管离子通道通常具有明确定义的单通道电导，但VRAC的测量表明存在宽范围的电导。

之前的研究表明，除了LRRC8A之外，VRAC结构还可以包括LRRC8系列的其他成员，即LRRC8B，LRRC8C，LRRC8D和/或LRRC8E。因此，另一位博士后研究员Qiu和Stuart Cahalan创造了一组细胞系，其中一个或多个LRRC8蛋白的基因被删除。通过这种方法和其他方法，该团队确定VRAC实际上是一个多样化的离子通道家族，每个离子通道都有大约六个蛋白质亚基。任何VRAC结构的至少一个亚基是LRRC8A，但其他亚基似乎是LRRC8B-E蛋白的可变混合物。当在简约双层系统中测量通道复合物时，组成的可变性导致不同的电荷流动性质。博士后研究员Swetha Murthy和Adrienne Dubin，

“我们推测不同的细胞类型需要不同形式的VRAC来应对他们不同的环境 - 这是我们热衷于测试的一个想法，”邱说。

Patapoutian说：“这一发现还表明，VRAC组成的微妙变化会对其在细胞中的作用产生深远的影响，并可能导致疾病。”

如何感知肿胀细胞

关于VRAC最大的未解答的问题可能是：它如何感知细胞肿胀?

Patapoutian说：“几十年来人们对此已经摸不着头脑，因为很难想象细胞如何直接测量其体积的增加。”

一种可能性是VRAC通过检测细胞膜的伸展来间接地感知体积增加，如一些感觉离子通道那样。然而，在简化的脂双层环境中检查VRAC复合物时，研究小组发现它们不是通过膜拉伸激活的。然而，当通常的溶解离子浓度降低时，它们很容易被激活。

这是有道理的。Syeda说：“当水冲入并且细胞膨胀时，离子强度的局部降低是不可避免的结果。”

对VRAC的进一步研究将旨在确定其精确的物理结构，该结构的变化如何改变其离子传导性质，VRAC如何在不同细胞类型中变化，以及VRAC变体或突变体如何导致疾病。VRAC被认为会恶化中风相关的脑损伤和心脏病发作损害，例如，通过在动脉阻塞后的低氧条件下允许信号分子的异常有害流动。VRAC也可能与免疫系统的发展有关：2003年的一项研究发现LRRC8A的突变，现在已知是VRAC的主要亚基，可以防止产生抗体的B细胞正常发育。最近的一项研究暗示VRAC对癌症药物顺铂和卡铂的临床反应 - 药物分子使用VRAC作为肿瘤细胞的门户。