Кальциевый сенсор помогает нам видеть звезды

Исследователи из PSI с помощью криоэлектронной микроскопии и масс-спектрометрии расшифровали структуру ионного канала глаза во время его взаимодействия с белком кальмодулином — структуру, которая ускользала от ученых три десятилетия. Ученые полагают, что это взаимодействие может объяснить, как наши глаза достигают такой замечательной чувствительности к тусклому свету. Результаты опубликованы в журнале PNAS.

Когда вы смотрите на яркий экран телефона или компьютера, ионные каналы в ваших глазах закрываются в ответ на свет. Это последний этап биохимического каскада, запускаемого светом. Когда это происходит, ионы кальция больше не могут протекать через каналы в клеточной мембране, и биохимический сигнал преобразуется в электрический, который проходит через нервную систему и в конечном итоге обрабатывается мозгом.

Тот же процесс происходит, когда вы смотрите на ночное небо. В этом случае этот трюк выполняют палочковые клетки сетчатки. Именно эти клетки делают наши глаза чувствительными к низкому уровню света, позволяя нам видеть ночное небо и обнаруживать всего несколько фотонов от далекой звезды.

Команда под руководством ученого из PSI Якопо Марино улучшила наше понимание того, как крошечный белок кальмодулин помогает достичь этого, взаимодействуя с ионными каналами в палочковых клетках. Кальмодулин — это кальциевый сенсор. Он позволяет клетке реагировать на колебания кальция — один из универсальных способов коммуникации клетки. Команда, объединившая группы из PSI, ETH Zurich и Боннского университета, впервые показала трехмерную структуру циклического нуклеотид-управляемого (CNG) ионного канала палочек в момент связывания с кальмодулином.

Важная функция кальмодулина в глазу

Год назад исследователям удалось расшифровать структуру этого же ионного канала, найденного в палочковых клетках сетчатки коровы и идентичного каналу в наших глазах. Канал Rod CNG состоит из четырех субъединиц, что характерно для многих ионных каналов. Однако особенность канала в том, что три субъединицы (субъединица А) идентичны, а четвертая (субъединица B) — отличается.

Ученым давно известно, что эта субъединица B связывает кальмодулин. Эта особенность встречается во всем животном мире. Однако точная природа ее роли оставалась неясной. «Если что-то сохраняется в ходе эволюции, это очень сильный показатель того, что это важно», — объясняет Марино. «Мы знали, что кальмодулин модулирует активность канала через субъединицу B, но какие структурные изменения при этом происходят, оставалось большой загадкой около тридцати лет, в основном потому, что людям не удавалось решить структуру ионного канала».

Теперь исследователи могут показать трехмерную картину происходящего. С помощью комбинации криоэлектронной микроскопии и масс-спектрометрии они наблюдали, что при связывании кальмодулина ионный канал становится немного более компактным.

Исследователи полагают, что это способ природы удерживать каналы закрытыми. Какова цель этого? «Мы думаем, что это способ уменьшить спонтанные открытия каналов, которые вызывали бы фоновый шум, чтобы наши глаза могли быть чувствительны к тусклому свету», — говорит Марино.

Масс-спектрометрия помогла исследователям решить «извилистую» структуру

Получить структуру связывания кальмодулина с ионным каналом было непросто. Взаимодействие происходит в высокоподвижной области канала, которая может свободно колебаться. В криоэлектронной микроскопии это затрудняет получение структурной информации высокого разрешения.

Марино приводит аналогию: «Представьте, что в комнате танцуют люди. Вы делаете фото и хотите по нему понять форму человеческого тела. Вы, возможно, сможете разобрать, как выглядит голова, но с размахивающими конечностями ноги и руки будут размытыми».

Благодаря случайной встрече команде удалось зафиксировать эту извилистую структуру. Аспирантка Дина Шустер услышала презентацию Марино. «Мы были готовы публиковаться на основе только данных крио-ЭМ, которые оставляли много неясностей во взаимодействии, когда Дина подошла ко мне и сказала: "Думаю, я могу вам помочь"», — вспоминает он.

Шустер разрабатывает новые стратегии на основе масс-спектрометрии для изучения взаимодействий белков. Эти методы используют ферменты для разрезания белков на фрагменты, либо в нативных условиях внутри частей мембраны сетчатки, либо после химического сшивания. Фрагменты белков, некоторые из которых соединены вместе, идентифицируются с помощью масс-спектрометрии.

Это раскрывает информацию о том, какие части белка находились близко друг к другу в трехмерном пространстве — что эквивалентно сборке 3D-пазла. «Эти методы позволили нам сузить круг возможностей, которые были неоднозначны в крио-ЭМ», — объясняет Шустер, которая является соавтором публикации вместе с аспиранткой Дианой Баррет.

От чуда зрения к последствиям для здоровья человека

Кальмодулин регулирует ионные каналы не только в глазу, но и по всему телу, контролируя электрические сигналы, необходимые для правильного функционирования различных мышц и органов. В последние годы стало очевидно, что когда это взаимодействие нарушается из-за мутаций в гене кальмодулина, это может иметь серьезные последствия для здоровья, такие как сердечная недостаточность, что еще не до конца понятно.

Помимо помощи в понимании одного из самых фундаментальных чудес — как мы можем видеть звезды — результаты этого исследования и использованные методы могут помочь понять взаимодействие кальмодулина с ионными каналами в других частях тела.