Misterul ochiului vechi de 30 de ani a fost rezolvat – structura canalului ionic a fost descifrată

Cercetătorii au decodat structura canalului ionic din celulele bastonașului ochiului (prezentate cu albastru) în timp ce au interacționat cu proteina calodulină (violet). Această interacțiune este importantă nu numai pentru funcția canalelor ionice din ochi, ci și pentru funcția canalelor ionice din alte părți ale corpului, cum ar fi inima. Credit: Institutul Paul Scherrer/Dina Schuster

Noile descoperiri interesante aruncă lumină asupra interacțiunii dintre proteina calodulină și un canal ionic din ochi, ceea ce poate dezvălui secretul din spatele sensibilității excepționale a ochilor noștri la condițiile de lumină scăzută.

Folosind microscopia electronică criogenică și spectrometria de masă, o echipă de cercetători de la PSI a reușit să dezvăluie structura canalului ionic din ochi unde interacționează cu proteina calodulină – un mister care i-a nedumerit pe oamenii de știință timp de 30 de ani. Această reacție ar putea explica modul în care ochii noștri pot atinge o sensibilitate atât de remarcabilă la lumina slabă. Rezultatele au fost publicate în jurnal PNAS.

Când te uiți la ecranul luminos al telefonului sau al computerului tău, canalele ionice din ochi reacţionează la lumină închizându-le. Această acțiune reprezintă punctul culminant al unei reacții chimice în lanț inițiate prin expunerea la lumină. Ca urmare, ionii de calciu nu mai pot traversa canalele din membrana celulară, ceea ce duce la conversia semnalului biochimic într-un semnal electric. Acest semnal trece apoi prin sistemul nervos, ajungând în cele din urmă la creier pentru procesare.

Același proces se întâmplă atunci când stai afară noaptea și te uiți la cer. Acum, celulele tijei fac trucul. Acestea sunt celulele care ne fac ochii sensibili la niveluri scăzute de lumină, permițându-ne să privim în sus la cerul nopții și să detectăm câțiva fotoni de lumină de la o stea îndepărtată. Luăm asta ca de la sine înțeles, dar este o performanță uimitoare.

Acum, o echipă condusă de om de știință PSI Jacopo Marino ne-a îmbunătățit înțelegerea modului în care o proteină mică numită calmodulină ajută la acest lucru, interacționând cu canalele ionice din celulele bastonașe. Calmodulin este un senzor de calciu. Acesta permite celulei să răspundă la fluctuațiile de calciu – una dintre metodele de comunicare universale ale celulei. Echipa, o colaborare între grupuri de la PSI, ETH Zurich și Universitatea din Bonn, a elucidat structura tridimensională a unui canal ionic de nucleotide ciclice (CNG) care se leagă de calmodulină.

O funcție importantă a calmodulinei în ochi

În urmă cu un an, cercetătorii au reușit să descifreze structura aceluiași canal ionic, găsit în celulele bastonașe ale retinei vacii și identic cu canalul ionic găsit în celulele bastonașe ale ochilor noștri. Rod CNG este format din patru subunități, o structură comună multor alte canale ionice. Cu toate acestea, particularitatea canalului este că trei subunități – cunoscute sub numele de subunitatea A – sunt identice, în timp ce a patra – subunitatea B – este diferită.

Oamenii de știință știu de mult că această subunitate leagă calmodulina. În tot regnul animal, această caracteristică este găsită. Cu toate acestea, natura exactă a rolului ei a rămas neclară. „Dacă ceva a fost păstrat prin evoluție, acesta este un indiciu foarte puternic că este important într-un fel”, explică Marino. „Știam că calmodulina modulează activitatea canalului prin subunitatea B, dar ce fel de schimbări structurale au avut loc a fost un mister imens timp de aproximativ treizeci de ani, în principal pentru că oamenii nu au putut rezolva structura canalului ionic”.

Acum, cercetătorii pot oferi o vedere 3D a ceea ce se întâmplă cu adevărat. Printr-o combinație de microscopie crio-electronică și spectrometrie de masă, ei au putut observa că atunci când se leagă calmodulina, canalul ionic devine puțin mai strâns.

Cercetătorii cred că acesta este modul naturii de a închide canalele. Care ar fi scopul acestui lucru? „Credem că este o modalitate de a reduce deschiderile conductelor spontane care pot provoca zgomot de fond, astfel încât ochii noștri să fie sensibili la lumina slabă”, spune Marino.

Spectrometria de masă ajută cercetătorii să rezolve structura în zigzag

Obținerea structurii calmodulinei și legarea canalului ionic nu a fost ușoară. Interacțiunea dintre calmodulină și Rod CNG are loc într-o regiune foarte elastică a conductului, unde este liber să oscileze. În microscopia crio-electronică, acest lucru face foarte dificilă obținerea de informații structurale de înaltă rezoluție. Aici, Marino oferă o analogie: „Imaginați-vă că aveți o cameră cu oameni care dansează. Faceți o fotografie și doriți să deduceți din asta forma unui corp uman. S-ar putea să puteți spune cum este un cap, dar cu membre. fluturând peste tot, picioarele și brațele vor fi încețoșate.”

Datorită unei întâlniri întâmplătoare, echipa a reușit să identifice această structură zimțată. Ph.D. Studenta Dina Schuster a ascultat o prezentare a lui Marino. „Ne pregăteam să publicăm doar pe baza datelor criomicroscopiei electronice, ceea ce a lăsat o mare parte din reacție ambiguă, când Dina s-a apropiat de mine și mi-a spus „Cred că te pot ajuta”, își amintește el.

Schuster dezvoltă noi strategii bazate pe spectrometrie de masă pentru studierea interacțiunilor proteinelor. Aceste tehnici folosesc enzime pentru a tăia proteinele în bucăți, fie în condiții native în părți ale membranei retiniene, fie prin reticulare chimică. Fragmentele de proteine, care sunt legate între ele, sunt identificate prin spectrometrie de masă. Acest lucru a dezvăluit informații despre ce părți ale proteinei erau apropiate unul de celălalt în spațiul tridimensional – echivalentul asamblarii unui puzzle tridimensional. „Aceste tehnici ne-au permis să restrângem unele posibilități care altfel erau obscure cu microscopia crio-electronică”, explică Schuster, care este primul autor comun al publicației cu studenta de doctorat, Diane Barrett.

De la miracolul viziunii la implicațiile pentru sănătatea umană

Calmodulina reglează canalele ionice nu numai în ochi, ci în întregul corp, controlând semnalele electrice care sunt esențiale pentru buna funcționare a diferiților mușchi și organe. În ultimii ani, a devenit clar că atunci când această reacție merge prost din cauza mutațiilor genei calodulinei, pot exista efecte grave asupra sănătății, precum insuficiența cardiacă: ceva ce nu este încă pe deplin înțeles.

Pe lângă faptul că ne ajută să înțelegem una dintre minunile fundamentale – cum putem vedea stelele – rezultatele acestui studiu și metodele utilizate ne pot ajuta să înțelegem interacțiunea calmodulinei cu canalele ionice din alte părți ale corpului.

Referință: „Baza structurală a modificării codolinei a canalului de nucleotide ciclice Rod” de Diane C.A. Barrett, Dina Schuster, Matthew J. Rodrigues, Alexander Leitner, Paola Picotti, Gibbard FX Schertler, U. Benjamin Cobb, Volodymyr M. Korkov și Jacobo Marino, 3 aprilie 2023, disponibil aici. Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2300309120