Наблюдение динамики натриевых каналов: новые данные клеточной биологии с помощью высокоскоростной атомно-силовой микроскопии
Транспорт ионов в клетку и из неё контролируется порами, образованными белками в клеточной мембране. В частности, потенциал-управляемые натриевые каналы (VGSCs) регулируют перенос ионов натрия (Na+) и играют важную роль в поддержании мембранного потенциала — разности напряжений между внешней и внутренней средой клетки.
В электрически возбудимых клетках, таких как нейроны и мышечные клетки, VGSCs участвуют в генерации потенциалов действия — быстрых изменений мембранного потенциала, которые обеспечивают передачу, например, нервных сигналов. Однако точные структурные изменения, происходящие в VGSCs, до конца не изучены.
Аюми Сумино и Такаши Сумикама из WPI-NanoLSI Университета Канадзавы в сотрудничестве с Кацумасой Ириэ из Медицинского университета Вакаямы и коллегами смогли наблюдать структурную динамику VGSC с помощью высокоскоростной атомно-силовой микроскопии (HS-AFM) — метода, способного визуализировать наноструктуру и динамику биомолекул в субсекундном масштабе.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
VGSCs могут находиться в трёх состояниях: покоя, инактивации и активации. В последнем состоянии ионы Na+ могут проходить через канал; в состояниях покоя и инактивации, которые структурно различаются, проход ионов невозможен. Базовая структура VGSC состоит из двух модулей: сенсорных доменов напряжения и поровых доменов. Эти домены образуют квадратную компоновку с ионной порой в центре. Важный открытый вопрос: отделяются ли сенсорные домены напряжения от поровых доменов при закрытии канала.
Сумино и коллеги провели эксперименты с тремя VGSCs. Один — натриевый канал определённой бактерии (Arcobacter butzleri), два других — его мутанты. Эти три канала имеют разную зависимость от напряжения, с порогами активации, начинающимися при -120 мВ, -50 мВ и 0 мВ, так что в экспериментальных условиях (0 мВ) они находятся в разных состояниях.
Чтобы получить представление о структурной динамике этих трёх VGSCs, исследователи применили HS-AFM. Одиночное изображение АСМ генерируется путём бокового перемещения острия чуть выше поверхности образца. Во время этого сканирования в плоскости xy положение острия в направлении, перпендикулярном этой плоскости (координата z), следует профилю высоты образца. Изменение z-координаты острия создаёт карту высот — изображение образца. Быстрая последовательность таких изображений формирует видеозапись образца.
Результаты HS-AFM показали, что у мутантного VGSC в состоянии покоя сенсорные домены напряжения действительно отделены от поровых доменов. Более того, исследователи обнаружили, что отделившиеся сенсорные домены напряжения соседних каналов соединяются, образуя пары — этот процесс называется димеризацией.
Наблюдение диссоциации сенсорных доменов напряжения, а также димеризации между порами — это открытия, которые позволят лучше понять, что вызывает закрытие пор в состоянии покоя и как регулируется развитие потенциалов действия. По словам учёных, димеризация предлагает «потенциальное объяснение для облегчения положительной кооперативности активности каналов в восходящей фазе потенциала действия».