Unlocking substrate specificities of human solute carrier proteins using untargeted metabolomics

Stel je je lichaam voor als een bruisende, hoogtechnologische stad. Elke cel is een gebouw, en het celmembraan is de beveiligingspoort die het gebouw omringt. Om de stad te laten functioneren, moeten specifieke vrachtwagens naar binnen en buiten deze gebouwen om voedsel te leveren, afval te verwijderen en berichten te versturen. Deze vrachtwagens zijn de "cargo", en de beveiligingspoorten zijn de "transporters". Lange tijd wisten wetenschappers de namen van veel van deze poorten, maar ze wisten niet precies welke vrachtwagens er precies doorheen moesten. Sommige poorten waren "wees"—we wisten dat ze bestonden, maar hadden geen idee wat ze deden. Anderen waren "promiscuous", wat betekende dat ze allerlei willekeurige vrachtwagens binnenlieten, niet alleen degenen voor wie ze ingehuurd waren. Uitzoeken welke poort welke vrachtwagen afhandelt is cruciaal, want als een poort geblokkeerd of defect raakt, kan de hele stad ziek worden. Het is alsof je een verkeersopstopping probeert op te lossen zonder te weten welk kruispunt verstopt zit.

Stel je nu voor dat je wilt ontdekken welke specifieke, mysterieuze beveiligingspoort waar doorheen laat. De oude manier was om bij de poort te gaan staan en te wachten tot er een specifieke vrachtwagen zou verschijnen waarvan je dacht dat hij misschien zou komen. Als die niet kwam, moest je opnieuw gokken en een andere vrachtwagen proberen. Dit is traag, saai, en je mist misschien de vreemde, onverwachte vrachtwagens die de poort eigenlijk gebruiken. Een beter idee is om een massaal, chaotisch feest bij de poort te geven waar duizenden verschillende vrachtwagens uit alle hoeken van de stad tegelijkertijd arriveren. Daarna kijk je gewoon welke er daadwerkelijk binnenkomen en welke er naar buiten gaan. Dit is precies wat een team van wetenschappers deed, maar in plaats van een stad gebruikten ze piepkleine kikvereieren (Xenopus oocytes) als hun beveiligingspoorten, en in plaats van een feest gebruikten ze een druppel menselijk bloedserum—een vloeistof die bruist van duizenden verschillende moleculen.

In dit onderzoek zetten de onderzoekers een slim experiment op om vijf specifieke menselijke transporters te "de-orphaniseren" (ontwaren). Ze namen kikverreieren, die van nature erg rustig zijn en niet veel van hun eigen beveiligingspoorten hebben, en injecteerden ze met de blauwdrukken (mRNA) om vijf verschillende menselijke transporters te bouwen. Zododig de eieren deze poorten begonnen te bouwen, doopten ze de eieren in menselijk bloedserum. Dit serum is als een chemische bibliotheek die duizenden verschillende endogene metabolieten (de natuurlijke bouwstenen van het lichaam) en xenobiotica (vreemde stoffen zoals medicijnen) bevat. Na een uur maakten de wetenschappers een momentopname van wat er in de eieren zat en wat er in het serum overbleef. Door de "voor" en "na" lijsten te vergelijken, konden ze zien welke moleculen uit het serum verdwenen waren (wat betekende dat de poort ze naar binnen nam) of verschenen in het serum (wat betekende dat de poort ze naar buiten duwde).

De resultaten waren een mix van het bevestigen van wat we al wisten en het ontdekken van enkele verrassende nieuwe gasten. Voor één poort, SLC10A2, die bekend staat om het verwerken van galzuren (detergenten die je lever maakt om vet te verteren), slaagde het team erin om glycocholezuur naar binnen te zien worden getrokken door het ei. Dit was een goed teken dat hun methode werkte. Voor een andere poort, SLC16A10, die normaal gesproken aromatische aminozuren (de bouwstenen van eiwitten) verplaatst, zagen ze de verwachte aminozuren zoals tryptofaan en fenylalanine het ei verlaten. Maar hier komt het leuke deel: ze vonden ook twee nieuwe verdachten, hippezuur en 3-fenyllactinezuur, die door deze zelfde poort bewogen. Dit zijn niet de gebruikelijke verdachten, maar ze lijken qua structuur sterk op de aminozuren, wat suggereert dat deze poort misschien wat flexibeler is dan we dachten.

Om er zeker van te zijn dat deze nieuwe bevindingen geen glitch waren, voerden de wetenschappers computersimulaties uit, genaamd "moleculaire docking". Stel je voor dat je een sleutel in een slot probeert te passen; de simulatie controleert of de vorm van de nieuwe moleculen perfect in het gat van de transporter past. De resultaten toonden aan dat deze nieuwe moleculen net zo goed pasten als de bekende, terwijl moleculen die er niet bij horen (zoals histidine en leucine) helemaal niet pasten. Dit suggereert dat de poort een specifieke vorm herkent—zoals een aromatische ring met een carboxylgroep—in plaats van alleen een specifieke aminozuurnaam.

De wetenschappers waren echter voorzichtig om hun resultaten niet te overschatten. Ze gaven toe dat hun methode niet perfect is. Sommige verwachte moleculen, zoals foliumzuur (een vitamine) en bepaalde organische zuren, kwamen niet naar voren in hun gegevens. Dit betekent niet noodzakelijkerwijs dat de poorten ze niet verplaatsen; het betekent alleen dat de chemische "camera" die ze gebruikten niet gevoelig genoeg was om ze te vangen, of dat het extractieproces ze heeft gemist. Ze merkten ook op dat ze zagen dat sommige poorten dingen naar buiten duwden (efflux), wat logisch is voor een poort die in beide richtingen kan stromen, maar het is een beetje vreemd voor poorten die bedoeld zijn om alleen dingen naar binnen te trekken. Ze vermoeden dat dit te maken kan hebben met kleine, lokale veranderingen in de omgeving rond het ei of secundaire effecten, maar ze hebben niet beweerd dat ze dit mysterie al hebben opgelost.

Kortom, dit artikel beweert niet het puzzelstukje van elke transporter te hebben opgelost. In plaats daarvan biedt het een krachtig nieuw hulpmiddel: een "visnet" gemaakt van menselijk bloedserum en kikverreieren dat een breed scala aan transporteractiviteiten tegelijkertijd kan vangen. Het bevestigde succesvol bekende interacties en suggereerde een paar nieuwe, wat bewijst dat het kijken naar de hele chaotische soep van bloedserum een geweldige manier is om erachter te komen wat deze mysterieuze cellulaire poorten eigenlijk doen. Het is een stap naar het in kaart brengen van het verkeerssysteem van de stad, één poort tegelijk, zonder dat je vooraf hoeft te raden welke vrachtwagen je eerst moet zoeken.