Các nhà khoa học phát hiện ra một “van tràn” tế bào có thể mở ra những phương pháp điều trị mới cho bệnh Parkinson. (Hình ảnh TMEM175 nhìn từ bên trong lysosome.) Bản quyền: © O. Rauh

Van tràn có liên quan đến bệnh Parkinson

Giống như bồn rửa và bồn tắm có hệ thống thoát nước tràn để ngăn tràn, các tế bào của con người dường như cũng có một cơ chế bảo vệ tương tự được tích hợp sẵn. Một nghiên cứu mới của các nhà khoa học từ Đại học Khoa học Ứng dụng Bonn-Rhein-Sieg (H-BRS), Đại học LMU Munich, Đại học Kỹ thuật Darmstadt và Nanion Technologies, được công bố trên Tạp chí PNAS (Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia), đã tiết lộ hệ thống bảo vệ này.

Nghiên cứu được dẫn đầu bởi Giáo sư Christian Grimm (Đại học LMU Munich) và Tiến sĩ Oliver Rauh (H-BRS), nhóm nghiên cứu đã giải mã chức năng gây tranh cãi từ lâu của kênh ion TMEM175. Phát hiện của họ cho thấy rằng bên trong lysosome, kênh này hoạt động như một van tràn, ngăn môi trường trở nên quá axit.

Lysosome và sự kiểm soát độ axit của tế bào

Lysosome là những ngăn nhỏ được bao bọc bởi màng, đóng vai trò là trung tâm tái chế của tế bào. Chúng phân giải các phân tử lớn thành các khối cấu tạo đơn giản hơn mà tế bào có thể tái sử dụng. Để quá trình này hoạt động đúng cách, lysosome phải duy trì môi trường axit.

Độ pH đo nồng độ proton (H+) trong dung dịch, và giá trị pH thấp hơn cho thấy nồng độ proton cao hơn. Một loại protein chuyên biệt bơm proton vào lysosome để tạo ra độ axit này. Tuy nhiên, việc duy trì sự cân bằng thích hợp đòi hỏi các protein bổ sung được nhúng trong màng lysosome. Nghiên cứu này nhấn mạnh TMEM175 là một yếu tố quan trọng trong việc điều chỉnh sự cân bằng này.

Các nhà nghiên cứu tin rằng trong các tế bào khỏe mạnh, TMEM175 giúp duy trì độ axit lý tưởng, cho phép quá trình phân hủy chất thải diễn ra hiệu quả. Khi các đột biến làm gián đoạn kênh này, quá trình điều chỉnh pH bị suy giảm. Kết quả là, protein không được phân hủy đúng cách, có thể dẫn đến cái chết của các tế bào thần kinh. Nghiên cứu trước đây đã liên kết các vấn đề về chức năng lysosome với quá trình lão hóa và các bệnh thoái hóa thần kinh như bệnh Parkinson. "Nghiên cứu của chúng tôi chứng minh rằng kênh ion TMEM175 đóng vai trò quyết định", Tiến sĩ Oliver Rauh cho biết.

Kênh ion TMEM175 vận chuyển kali và proton

Trong nhiều năm, các nhà khoa học không chắc chắn TMEM175 nằm ở đâu trong tế bào hoặc chức năng thực sự của nó là gì. Tên gọi đơn giản của nó, viết tắt của protein xuyên màng 175, phản ánh sự hiểu biết rất hạn chế ban đầu về nó. Theo thời gian, sự quan tâm đến TMEM175 tăng lên khi có bằng chứng cho thấy nó có liên quan đến các bệnh thoái hóa thần kinh, đặc biệt là bệnh Parkinson.

Các nhà nghiên cứu cuối cùng đã xác nhận rằng TMEM175 là một kênh ion vận chuyển các hạt mang điện qua màng lysosome. Tuy nhiên, vẫn còn tranh luận về việc nó chủ yếu vận chuyển ion kali hay proton, và những chuyển động đó ảnh hưởng đến chức năng tế bào như thế nào trong cả trạng thái khỏe mạnh và bệnh lý.

Cảm biến pH điều chỉnh dòng proton

"Tôi đã nghiên cứu nhiều kênh ion, và TMEM175 là kênh kỳ lạ nhất trong số đó," Tiến sĩ Oliver Rauh, người chuyển từ Đại học Kỹ thuật Darmstadt đến H-BRS để làm việc trong nhóm nghiên cứu hợp tác CytoTransport, cho biết. "Khi chúng tôi bắt đầu dự án khoảng sáu năm trước, người ta cho rằng TMEM175 là một kênh kali. Chức năng của nó hoàn toàn chưa được biết đến. Giờ đây, chúng tôi đã chứng minh được rằng TMEM175 không chỉ dẫn truyền ion kali mà còn cả proton, và do đó trực tiếp tham gia vào việc điều chỉnh độ pH - tức là nồng độ proton - bên trong lysosome."

"Hầu hết các thí nghiệm được tiến hành bằng phương pháp kẹp màng tế bào," Christian Grimm, một chuyên gia về các kỹ thuật đo hoạt động điện trong màng lysosome, giải thích. Phương pháp này cho phép nhóm nghiên cứu phân tích cách kênh hoạt động trong các điều kiện khác nhau. Kết quả của họ cho thấy TMEM175 có thể phát hiện khi độ axit đạt đến mức tới hạn và điều chỉnh dòng proton cho phù hợp.

"Những phát hiện của chúng tôi tạo nên một nền tảng quan trọng cho việc hiểu rõ hơn các quá trình chức năng trong lysosome và chức năng của kênh TMEM175, vốn trước đây còn gây tranh cãi", các tác giả cho biết. "Đồng thời, những hiểu biết của chúng tôi về protein TMEM175 cung cấp một cấu trúc mục tiêu đầy hứa hẹn cho việc phát triển thuốc điều trị hoặc ngăn ngừa các bệnh thoái hóa thần kinh như bệnh Parkinson."