Unlocking substrate specificities of human solute carrier proteins using untargeted metabolomics

Stellen Sie sich Ihren Körper als eine geschäftige, hochtechnologische Stadt vor. Jede Zelle ist ein Gebäude und die Zellmembran ist das Sicherheitstor, das das Gebäude umgibt. Damit die Stadt funktioniert, müssen bestimmte Lastwagen hinein und aus diesen Gebäuden herausfahren, um Lebensmittel zu liefern, Müll zu entfernen und Nachrichten zu versenden. Diese Lastwagen sind die „Fracht“ und die Sicherheitstore sind die „Transporter“. Lange Zeit wussten Wissenschaftler bereits die Namen vieler dieser Tore, aber sie wussten nicht genau, welche Lastwagen sie durchlassen sollten. Einige Tore waren „verwaist“ – wir wussten, dass sie existierten, hatten aber keine Ahnung, was sie taten. Andere waren „promiskuitiv“, was bedeutete, dass sie scheinbar alle möglichen wahllosen Lastwagen hereinließen, nicht nur die, für die sie eigentlich eingestellt worden waren. Herauszufinden, welches Tor welchen Lastwagen handhabt, ist entscheidend, denn wenn ein Tor blockiert oder beschädigt wird, kann die ganze Stadt krank werden. Es ist wie der Versuch, einen Verkehrsstau zu beheben, ohne zu wissen, welche Kreuzung verstopft ist.

Stellen Sie sich nun vor, Sie möchten herausfinden, was durch ein bestimmtes, mysteriöses Sicherheitstor hindurchgelassen wird. Die alte Methode bestand darin, am Tor zu stehen und auf einen bestimmten Lastwagen zu warten, von dem man dachte, dass er vielleicht auftauchen könnte. Wenn er nicht erschien, musste man erneut raten und versuchen, einen anderen Lastwagen zu nehmen. Das ist langsam, langweilig, und man übersieht vielleicht die seltsamen, unerwarteten Lastwagen, die das Tor tatsächlich benutzen. Eine bessere Idee ist es, eine massive, chaotische Party am Tor zu veranstalten, bei der tausende verschiedene Lastwagen aus allen Ecken der Stadt gleichzeitig eintreffen. Dann schauen Sie einfach nach, welche tatsächlich hineinkommen und welche wieder hinausfahren. Genau das haben Wissenschaftler getan, aber anstatt einer Stadt nutzten sie winzige Froscheier (Xenopus oocytes) als ihre Sicherheitstore, und anstatt einer Party nutzten sie einen Tropfen menschliches Blutserum – eine Flüssigkeit, die von tausenden verschiedenen Molekülen wimmelt.

In dieser Studie richteten die Forscher ein kluges Experiment ein, um fünf spezifische menschliche Transporter zu „entverwaisen“. Sie nahmen Froscheier, die von Natur aus sehr ruhig sind und nicht viele eigene Sicherheitstore besitzen, und injizierten ihnen die Baupläne (mRNA), um fünf verschiedene menschliche Transporter zu bauen. Sobald die Eier begannen, diese Tore zu bauen, tauchten sie in menschliches Blutserum. Dieses Serum ist wie eine chemische Bibliothek, die tausende verschiedene endogene Metaboliten (die natürlichen Bausteine des Körpers) und Xenobiotika (Fremdstoffe wie Medikamente) enthält. Nach einer Stunde machten die Wissenschaftler eine Momentaufnahme dessen, was sich in den Eiern befand und was im Serum übrig blieb. Durch den Vergleich der Listen „vorher“ und „nachher“ konnten sie sehen, welche Moleküle aus dem Serum verschwunden waren (was bedeutete, dass das Tor sie aufnahm) oder im Serum erschienen waren (was bedeutete, dass das Tor sie herausdrückte).

Die Ergebnisse waren eine Mischung aus der Bestätigung dessen, was wir bereits wussten, und der Entdeckung einiger überraschender neuer Gäste. Für eines der Tore, SLC10A2, das bekannt dafür ist, Gallensäuren (Detergenzien, die Ihre Leber zur Fettverdauung herstellt, zu bewegen), gelang es dem Team, Glycocholsäure erfolgreich im Inneren des Eies aufzuspüren. Dies war ein gutes Zeichen dafür, dass ihre Methode funktionierte. Für ein anderes Tor, SLC16A10, das normalerweise aromatische Aminosäuren (die Bausteine von Proteinen) bewegt, sahen sie die erwarteten Aminosäuren wie Tryptophan und Phenylalanin aus dem Ei herausgehen. Aber hier kommt der spannende Teil: Sie fanden auch zwei neue Verdächtige, Hippursäure und 3-Phenylmilchsäure, die sich durch dasselbe Tor bewegten. Dies sind nicht die üblichen Verdächtigen, aber sie sehen strukturell ähnlich aus wie die Aminosäuren, was darauf hindeutet, dass dieses Tor etwas flexibler sein könnte, als wir dachten.

Um sicherzustellen, dass diese neuen Erkenntnisse nicht nur ein Fehler waren, führten die Wissenschaftler Computer-Simulationen namens „Molekulardocking“ durch. Stellen Sie sich vor, man versucht, einen Schlüssel in ein Schloss einzuführen; die Simulation prüft, ob die Form der neuen Moleküle perfekt in die Öffnung des Transporters passt. Die Ergebnisse zeigten, dass diese neuen Moleküle genauso gut passten wie die bekannten, während Moleküle, die dort nicht hingehören (wie Histidin und Leucin), überhaupt nicht passten. Dies deutet darauf darauf hin, dass das Tor eine spezifische Form erkennt – wie einen aromatischen Ring mit einer Carboxylgruppe – und nicht nur einen spezifischen Aminosäurenamen.

Dennoch waren die Wissenschaftler vorsichtig, ihre Ergebnisse nicht überzubewerten. Sie gaben zu, dass ihre Methode nicht perfekt ist. Einige erwartete Moleküle, wie Folat (ein Vitamin) und bestimmte organische Säuren, tauchten in ihren Daten nicht auf. Dies bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Tore sie nicht bewegen; es bedeutet nur, dass die chemische „Kamera“, die sie verwendeten, nicht empfindlich genug war, um sie zu erfassen, oder dass der Extraktionsprozess sie übersehen hat. Sie merkten auch an, dass sie beobachteten, wie einige Tore Dinge herausdrückten (Efflux), was zwar Sinn ergibt für ein Tor, das in beide Richtungen fließen kann, aber etwas seltsam ist für Tore, die eigentlich nur Dinge aufnehmen sollen. Sie vermuten, dass dies auf winzige, lokale Veränderungen in der Umgebung um das Ei herum oder auf Sekundäreffekte zurückzuführen sein könnte, aber sie behaupten noch nicht, dieses Rätsel gelöst zu haben.

Kurz gesagt: Diese Arbeit behauptet nicht, das Rätsel aller Transporter gelöst zu haben. Stattdessen bietet sie ein leistungsstarkes neues Werkzeug: ein „Fischnetz“ aus menschlichem Blutserum und Froscheiern, das eine Vielzahl von Transporter-Aktivitäten gleichzeitig einfangen kann. Es bestätigte erfolgreich bekannte Interaktionen und deutete auf einige neue hin, was beweist, dass der Blick in die gesamte chaotische Suppe des Blutserums ein großartiger Weg ist, um herauszufinden, was diese mysteriösen zellulären Tore tatsächlich tun. Es ist ein Schritt zur Kartierung des Verkehrssystems der Stadt, ein Tor nach dem anderen, ohne vorher raten zu müssen, nach welchem Lastwagen man zuerst suchen soll.