Tajemnica oka sprzed 30 lat została rozwiązana – rozszyfrowano strukturę kanału jonowego

Naukowcy zdekodowali strukturę kanału jonowego z pręcików oka (pokazanych na niebiesko) podczas interakcji z kaloduliną białkową (fioletową). Ta interakcja jest ważna nie tylko dla funkcji kanałów jonowych w oku, ale także dla funkcji kanałów jonowych w innych częściach ciała, takich jak serce. Źródło: Paul Scherrer Institute/Dina Schuster

Ekscytujące nowe odkrycia rzucają światło na interakcję między kaloduliną białkową a kanałem jonowym w oku, co może ujawnić sekret wyjątkowej wrażliwości naszych oczu na warunki słabego oświetlenia.

Wykorzystując kriogeniczną mikroskopię elektronową i spektrometrię mas, zespołowi naukowców z PSI udało się odkryć strukturę kanału jonowego w oku, w którym wchodzi on w interakcję z białkiem kaloduliną – zagadkę, która intryguje naukowców od 30 lat. Ta reakcja może wyjaśniać, w jaki sposób nasze oczy mogą osiągnąć tak niezwykłą wrażliwość na słabe światło. Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie PNAS.

Kiedy patrzysz na jasny ekran telefonu lub komputera, kanały jonowe w twoich oczach reagują na światło, zamykając je. To działanie stanowi kulminację łańcuchowej reakcji chemicznej zapoczątkowanej ekspozycją na światło. W rezultacie jony wapnia nie mogą już przechodzić przez kanały w błonie komórkowej, co prowadzi do zamiany sygnału biochemicznego na sygnał elektryczny. Sygnał ten następnie przechodzi przez układ nerwowy, ostatecznie docierając do mózgu w celu przetworzenia.

Ten sam proces zachodzi, gdy stoisz na zewnątrz w nocy i patrzysz w niebo. Teraz pręciki załatwiają sprawę. Są to komórki, które sprawiają, że nasze oczy są wrażliwe na niskie poziomy światła, co pozwala nam spojrzeć na nocne niebo i wykryć kilka fotonów światła z odległej gwiazdy. Przyjmujemy to za pewnik, ale to niesamowity wyczyn.

Teraz zespół kierowany przez naukowca PSI, Jacopo Marino, poprawił naszą wiedzę na temat tego, w jaki sposób pomaga w tym małe białko zwane kalmoduliną, poprzez interakcję z kanałami jonowymi w pręcikach. Kalmodulina jest czujnikiem wapnia. Umożliwia komórce reagowanie na wahania poziomu wapnia – jeden z uniwersalnych sposobów komunikacji komórki. Zespół, będący wynikiem współpracy grup z PSI, ETH Zurich i Uniwersytetu w Bonn, wyjaśnił trójwymiarową strukturę kanału jonowego cyklicznego nukleotydu (CNG), który wiąże się z kalmoduliną.

Ważna funkcja kalmoduliny w oku

Rok temu naukowcom udało się rozszyfrować strukturę tego samego kanału jonowego, który znajduje się w pręcikach siatkówki krowiej i jest identyczny z kanałem jonowym występującym w pręcikach naszych oczu. Pręt CNG składa się z czterech podjednostek, struktury wspólnej dla wielu innych kanałów jonowych. Jednak osobliwością tego kanału jest to, że trzy podjednostki — zwane podjednostką A — są identyczne, podczas gdy czwarta — podjednostka B — jest inna.

Naukowcy od dawna wiedzą, że ta podjednostka wiąże kalmodulinę. Ta cecha występuje w całym królestwie zwierząt. Jednak dokładny charakter jej roli pozostał niejasny. „Jeśli coś zostało zachowane przez ewolucję, jest to bardzo silna wskazówka, że ​​jest to w jakiś sposób ważne” – wyjaśnia Marino. „Wiedzieliśmy, że kalmodulina moduluje aktywność kanału poprzez podjednostkę B, ale jakiego rodzaju zmiany strukturalne zachodzą, było wielką tajemnicą przez około trzydzieści lat, głównie dlatego, że ludzie nie byli w stanie rozwiązać struktury kanału jonowego”.

Teraz naukowcy mogą zapewnić widok 3D tego, co naprawdę się dzieje. Dzięki połączeniu mikroskopii krioelektronowej i spektrometrii mas mogli zauważyć, że kiedy kalmodulina się wiąże, kanał jonowy staje się nieco ciaśniejszy.

Naukowcy uważają, że jest to naturalny sposób zamykania kanałów. Jaki byłby tego cel? „Uważamy, że jest to sposób na zmniejszenie liczby otworów spontanicznych przewodów, które mogą powodować hałas w tle, dzięki czemu nasze oczy są wrażliwe na słabe światło” – mówi Marino.

Spektrometria mas pomaga naukowcom rozwiązywać struktury zygzakowate

Uzyskanie struktury kalmoduliny i zligowanie kanału jonowego nie było łatwe. Interakcja między kalmoduliną a Rod CNG zachodzi w wysoce elastycznym obszarze przewodu, w którym może on swobodnie oscylować. W mikroskopii krioelektronowej bardzo utrudnia to uzyskanie informacji strukturalnych o wysokiej rozdzielczości. Tutaj Marino podaje analogię: „Wyobraź sobie, że masz pokój pełen tańczących ludzi. Robisz zdjęcie i chcesz wywnioskować z tego kształt ludzkiego ciała. Możesz być w stanie powiedzieć, jak wygląda głowa, ale z kończynami falując wszędzie, nogi i ręce będą rozmyte”.

Dzięki przypadkowemu spotkaniu zespół był w stanie zlokalizować tę postrzępioną strukturę. doktorat Studentka Dina Schuster wysłuchała prezentacji Marino. „Przygotowywaliśmy się do publikacji na podstawie samych danych z mikroskopii krioelektronowej, co pozostawiło wiele niejednoznacznych reakcji, kiedy Dina podeszła do mnie i powiedziała:„ Myślę, że mogę ci pomóc ”- wspomina.

Schuster opracowuje nowe strategie oparte na spektrometrii mas do badania interakcji białek. Techniki te wykorzystują enzymy do cięcia białek na kawałki, albo w warunkach natywnych w częściach błony siatkówki, albo po chemicznym usieciowaniu. Związane ze sobą fragmenty białek identyfikuje się za pomocą spektrometrii mas. Ujawniło to informacje o tym, które części białka są blisko siebie w przestrzeni trójwymiarowej – odpowiednik układania trójwymiarowej układanki. „Techniki te umożliwiły nam zawężenie pewnych możliwości, które w innym przypadku byłyby niejasne w przypadku mikroskopii krioelektronowej” – wyjaśnia Schuster, który jest pierwszym autorem publikacji wraz z doktorantką Diane Barrett.

Od cudu widzenia do konsekwencji dla zdrowia ludzkiego

Kalmodulina reguluje kanały jonowe nie tylko w oczach, ale w całym ciele, kontrolując sygnały elektryczne, które są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania różnych mięśni i narządów. W ostatnich latach stało się jasne, że gdy ta reakcja przebiega nieprawidłowo z powodu mutacji w genie kaloduliny, mogą wystąpić poważne skutki zdrowotne, takie jak niewydolność serca: coś, co nie jest jeszcze w pełni poznane.

Oprócz pomocy w zrozumieniu jednego z fundamentalnych cudów – jak możemy zobaczyć gwiazdy – wyniki tego badania i zastosowane metody mogą pomóc nam zrozumieć interakcję kalmoduliny z kanałami jonowymi w innych częściach ciała.

Odniesienie: „Podstawy strukturalne modyfikacji kodoliny kanału cyklicznego nukleotydu pręta” Diane CA Barrett, Dina Schuster, Matthew J. Rodrigues, Alexander Leitner, Paola Picotti, Gibbard FX Schertler, U. Benjamin Cobb, Volodymyr M. Korkov i Jacobo Marino, 3 kwietnia 2023, dostępne tutaj. Obrady Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2300309120