Новый белок в палочках сетчатки помогает нам видеть в тусклом свете

Ученые из Института Пауля Шеррера (PSI) изучили важный компонент глаза — белок в палочковых клетках сетчатки, который помогает видеть при слабом освещении. Этот белок действует как ионный канал в клеточной мембране и отвечает за передачу оптического сигнала от глаза к мозгу. Если генетическое нарушение разрушает его молекулярную функцию, человек слепнет. Ученые расшифровали трехмерную структуру белка, что открывает путь для инновационных методов лечения. Исследование опубликовано в журнале Nature Structural & Molecular Biology.

«Именно благодаря палочкам в нашем глазу мы можем наблюдать звезды на ночном небе, — объясняет биолог Якопо Марино. — Эти фоторецепторы настолько чувствительны к свету, что могут обнаружить даже один фотон, достигший нас из удаленной части вселенной — поистине невероятное достижение». Способность нашего мозга в конечном итоге преобразовывать эти лучи света в зрительный образ частично обусловлена циклическими нуклеотид-управляемыми (CNG) ионными каналами, чью трехмерную структуру теперь изучила группа исследователей под руководством Якопо Марино.

Ионный канал действует как привратник, контролирующий, могут ли определенные частицы проникнуть внутрь рецепторной клетки. Он встроен в богатую белками оболочку — клеточную мембрану — палочковых клеток. В темноте ионный канал, а значит и «ворота» в клетку, полностью открыты. Но когда свет попадает в глаз, он запускает каскад процессов в палочках. В конечном итоге это приводит к закрытию «ворот», в результате чего положительно заряженные частицы, такие как ионы кальция, больше не могут проникать в клетку.

Этот электрохимический сигнал продолжает путь через нервные клетки в зрительную кору головного мозга, где создается зрительный образ, например, вспышка света. «Идея определить структуру этого канала возникла почти 20 лет назад, когда Гебхард Шертлер и Бенджамин Каупп уже сотрудничали по этой теме», — говорит Якопо Марино. Оба являются соавторами нового исследования.

Упорство окупилось

Аспирантке Диане Баррет сначала пришлось извлекать белок канала из глаз коров, поставляемых скотобойней — сложный и трудоемкий процесс. «Это была очень сложная задача, поскольку белок чрезвычайно чувствителен и очень быстро разлагается. Кроме того, в исходном материале он доступен лишь в крошечных количествах», — объясняет Баррет. Потребовалось целых два года, чтобы получить достаточное количество белка для работы. «Мы оба были слишком упрямы, чтобы просто сдаться, — смеется Якопо Марино. — Но в конце концов это упорство окупилось».

Затем ученые использовали криоэлектронную микроскопию, чтобы раскрыть трехмерную структуру ионного канала. «В отличие от предыдущих исследований структуры ионного канала, мы изучили нативный белок, каким он существует в глазу. Таким образом, мы гораздо ближе к реальным условиям, существующим в живых организмах», — говорит Диана Баррет.

Одна из причин, почему более четкое понимание естественной структуры канального белка важно, — это продвижение в разработке методов лечения генетических заболеваний, от которых нет известного лекарства, таких как пигментный ретинит. При этой болезни фоторецепторы постепенно отмирают, и человек слепнет. Одна из возможных причин — то, что организм из-за генетического дефекта не может правильно производить белок CNG-канала. В результате ионный канал не закрывается полностью при попадании света в глаз, что нарушает электрохимический баланс клетки и приводит к ее гибели.

«Если бы мы могли найти молекулы, которые воздействуют на белок таким образом, что канал полностью закрывается, мы могли бы предотвратить гибель клеток — и, следовательно, остановить потерю зрения», — объясняет Якопо Марино. Теперь, когда исследователи определили точную структуру белка, они могут целенаправленно искать такие молекулы.

Дополнительный барьер

Белок состоит из четырех частей: трех субъединиц A и одной субъединицы B. Правильно функционирующий ионный канал возможен только в такой комбинации. В своем исследовании ученые PSI показывают, почему субъединица B, по-видимому, играет такую важную роль: боковой «рычаг» белка — одна аминокислота — выступает из остальной части белка, как барьер на пути. Это сужает проход в канале до такой степени, что ионы не могут пройти.

«Этого никто не ожидал — это стало полной неожиданностью», — говорит Диана Баррет. Другие узкие места уже существуют в субъединице A — как основные «ворота», — которые ранее считались единственными. Интересно отметить, что дополнительный барьер обнаружен не только в белке из глаза коровы, но, как показали ученые, по-видимому, характерен для всех видов животных. Будь то крокодилы, орлы или люди — у всех живых существ с ионным каналом в глазу есть одна и та же выступающая аминокислота в этой позиции белка. Поскольку она так последовательно сохранялась в ходе эволюции, она должна быть необходима для функционирования канала.