$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Większość przedziałów wewnątrzkomórkowych ma kwaśne pH światła, które jest kluczowym parametrem dla dojrzewania, transportu, recyklingu białek lub hormonów i ładowania neuroprzekaźników. Wykazano, że gradient pH między cytozolem a zawartością pęcherzykową jest generowany przez wakuolarne ATPazy H+ 1, sprzężone z pęcherzykowymi transporterami chlorku ClC2. Zarówno u myszy z nokautem (KO), jak i u ludzi, znaczenie tych transporterów zostało podkreślone przez ciężkie fenotypy spowodowane mutacjami w ich genach3-6.
Wykazano, że członkowie rodziny wymienników sodowo-wodorowych SLC9A, nazywanych również NHE dla wymienników Na+/H+, są kluczowymi efektorami w wewnątrzkomórkowej regulacji pH i objętości komórek, a także w wektorowym transporcie równoważników kwasowo-zasadowych przez nabłonek. Oprócz NHE błony komórkowej, trzy wysoce konserwatywne wymienniki Na+/H+, NHE 6, 7 i 9 ulegają ekspresji w sieci trans-Golgiego i we wczesnych endosomach7. Mutacje w ich genach zostały powiązane z zespołami Angelmana lub Christiansona8-9, autyzmem rodzinnym10 i zespołem nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi11-12. Wymienniki te były również zaangażowane w problemy neurodegeneracyjne, takie jak podatność na chorobę Alzheimera13 i zespoły sąsiadujących genów upośledzenia umysłowego sprzężonego z chromosomem X14. Podsumowując, badania te podkreślają znaczenie tych wewnątrzkomórkowych NHE w rozwoju i/lub funkcjonowaniu mózgu.
Wewnątrzkomórkowa lokalizacja tych wymienników uniemożliwia dokładne pomiary ich selektywności jonowej, kierunku transportu, parametrów kinetycznych i regulacji. Podobnie jak w przypadku wszystkich transporterów ulegających ekspresji w przedziałach wewnątrzkomórkowych, niezwykle trudno jest ocenić ich aktywność biochemiczną, a tym samym w pełni zrozumieć ich role fizjologiczne i mechanizmy leżące u podstaw ich patologicznych implikacji. Opierając się na wysokim stężeniu cytozolowego K+, najpowszechniej akceptowaną hipotezą było to, że działały one jako transportery wypływu protonów sprzężonych z K+. Wysunięto hipotezę o istnieniu takiego wycieku protonów, ponieważ może on równoważyć pompowanie protonów przez V-ATPazy w celu utrzymania pH pęcherzyków w stanie ustalonym. Celem tego artykułu wizualnego jest (i) zademonstrowanie metody pozwalającej na selekcję genetyczną linii komórkowych, które wyrażają takie transportery pęcherzykowe na ich błonie plazmatycznej, oraz (ii) pokazanie dwóch niezależnych podejść do pomiaru funkcji tych transporterów.
Trzy dekady temu, Pouysségur i Franchi zapoczątkowali podejście genetyczne, które umożliwiło klonowanie molekularne i charakterystykę członków rodziny NHE15. Opierało się to na toksyczności protonów wewnątrzkomórkowych jako metody przesiewowej. Pierwszym krokiem było uzyskanie linii komórkowych z niedoborem jakiejkolwiek wymiany Na+/H+ ulegającej ekspresji w błonie plazmatycznej, z wykorzystaniem odwracalności tego transportera. Fibroblasty (linia komórkowa CCL39) zostały wstępnie załadowane Na+ lub Li+, a następnie umieszczone w kwaśnym środowisku zewnątrzkomórkowym (pH 6,5) na 2 godziny. Doprowadziło to do śmierci komórek wykazujących ekspresję funkcjonalnej wymiany Na+/H+ oraz do selekcji komórek z niedoborem antyportera (linia komórkowa PS120)16. Hodowane w podłożu wolnym od wodorowęglanów komórki te są bardzo wrażliwe na ostre zakwaszenie wewnątrzkomórkowe. W związku z tym ekspresja jakiegokolwiek funkcjonalnego mechanizmu wypływu protonów na błonie plazmatycznej będzie pozytywnie wybrana (patrz17), jeśli takie komórki zostaną poddane ostremu zakwaszeniu wewnątrzkomórkowemu. Takie techniki zakwaszania mogą być stosowane do izolowania linii komórkowych z defektami transportu, umożliwiającymi wymuszoną ekspresję wewnątrzkomórkowych NHE WT w błonie komórkowej
.
Ponieważ eukariotyczne wymienniki Na+/H+ są elektroneutralne, nie można ich zmierzyć za pomocą metod elektrofizjologicznych, które były stosowane z dużym powodzeniem do pomiaru kanałów. W związku z tym w niniejszym manuskrypcie pokazano, w jaki sposób można zmierzyć aktywność tego wymiennika za pomocą wewnątrzkomórkowych pomiarów pH i szybkiej kinetyki wychwytu litu. Ponieważ podstawowe koncepcje są takie same, warto zauważyć, że wiele procesów opracowanych dla sekcji wyboru jest również wykorzystywanych bezpośrednio do pomiarów funkcjonalnych.
Co ciekawe, zaobserwowaliśmy, że defekt transportu obecny w liniach komórkowych wybranych za pomocą podejścia opisanego w tym manuskrypcie prowadzi do większej ekspresji innych białek pęcherzykowych na błonie plazmatycznej, takich jak pęcherzykowy kanał potasowy TWIK118. Wskazuje to na wybór ogólnego mechanizmu defektu retencji dla pęcherzykowych białek transbłonowych. W związku z tym ta procedura selekcji i generowane przez nią komórki mogą stanowić obiecujące narzędzie dla społeczności naukowej zajmującej się białkami błonowymi przedziałów wewnątrzkomórkowych. Przedstawione tu techniki pomiarowe mogą mieć również zastosowanie do badania innych transporterów nieelektrogenicznych.