Nowo odkryte białko w pręcikach siatkówki pomaga nam widzieć w słabym świetle

„Dzięki pręcikom w naszych oczach możemy obserwować gwiazdy na nocnym niebie” – wyjaśnia Jacobo Marino, biolog z Laboratorium Badań Biomolekularnych PSI. „Te fotokomórki są tak wrażliwe na światło, że mogą wykryć nawet pojedynczy foton docierający do nas z bardzo odległej części wszechświata – naprawdę niesamowite wyczyn”. Zdolność naszego mózgu do przekształcania tych wiązek światła na wrażenie wizualne jest ostatecznie częściowo spowodowana kanałami jonów cyklicznych nukleotydów (CNG), których trójwymiarowa struktura została teraz oświetlona przez grupę badawczą PSI kierowaną przez Jacopo Marino.

Kanał jonowy działa jak strażnik, który kontroluje, czy określone cząsteczki mogą przedostać się do komórki receptora. Jest integralną częścią bogatej w białko otoczki – błony komórkowej – komórek pręcików. W ciemności kanał jonowy, a tym samym bramka komórki, jest całkowicie otwarty. Ale kiedy światło pada na oko, uruchamia kaskadę procesów w komórkach prątków. To w końcu powoduje zamknięcie bramki, uniemożliwiając przedostanie się dodatnio naładowanych cząsteczek, takich jak jony wapnia, do komórki.

Ten elektrochemiczny sygnał przechodzi przez neurony do kory wzrokowej mózgu, gdzie powstaje wrażenie wzrokowe – jak błysk światła. „Pomysł rozwiązania struktury tego kanału sięga prawie 20 lat, kiedy Gebrard Schertler i Benjamin Kaupp naprawdę współpracowali nad tym tematem”, mówi Jacobo Marino. Obaj są współautorami nowego badania.

wytrzymałość ciągu

doktorat Studentka Diane Barrett musiała najpierw wydobyć białko kanałowe z oczu krów dostarczanych przez rzeźnię – złożony i pracochłonny proces. Było to bardzo trudne zadanie, ponieważ białko jest bardzo wrażliwe i bardzo szybko się rozkłada. Poza tym jest dostępny tylko w niewielkich ilościach w materiale źródłowym” – wyjaśnia Barrett. Zajęło mi całe dwa lata, aby uzyskać wystarczającą ilość białka do pracy z nim. „Oboje byliśmy zbyt uparci, by po prostu się poddać”, mówi ze śmiechem Jacopo Marino. W końcu ten upór się opłacił.”

Następnie naukowcy wykorzystali mikroskopię krioelektronową, aby odkryć trójwymiarową strukturę kanału jonowego. „W przeciwieństwie do poprzednich badań nad strukturą kanału jonowego, zbadaliśmy natywne białko pod kątem jego obecności w oku. Jesteśmy więc bliżej rzeczywistych warunków występujących w żywych organizmach” – mówi Diane Barrett.

Jednym z powodów, dla których ważne jest lepsze zrozumienie prawidłowej struktury białka kanałowego, jest postęp w opracowywaniu metod leczenia zaburzeń genetycznych, na które nie ma znanego lekarstwa, takich jak barwnikowe zwyrodnienie siatkówki. W przypadku tej choroby fotoreceptory stopniowo wymierają, co prowadzi do ślepoty. Jednym z możliwych powodów jest to, że organizm nie jest w stanie prawidłowo wyprodukować białka kanału CNG z powodu defektu genetycznego. W rezultacie kanał jonowy nie zamyka się całkowicie, gdy światło dociera do oka, co prowadzi do zakłócenia równowagi elektrochemicznej komórki i śmierci komórki.

„Jeżeli uda nam się znaleźć cząsteczki, które wpływają na białko w sposób, który całkowicie odcina kanał, możemy zapobiec śmierci komórek – a tym samym uniemożliwić ludziom ślepotę” – wyjaśnia Jacobo Marino. Teraz, gdy naukowcy określili dokładną strukturę białka, są w stanie wyszukać takie molekuły.

dodatkowa bariera

Białko składa się z czterech części: trzech grup podjednostki A i jednej grupy podjednostki B. Prawidłowo działający kanał jonowy można uzyskać tylko w tej grupie. W swoim badaniu naukowcy z PSI wykazali, dlaczego podjednostka B odgrywa ważną rolę: boczne ramię białka — jeden aminokwas — wystaje z reszty białka, jak brama krzyżowa. To zawęża przejście w kanale do punktu, w którym nie mogą przejść żadne jony.

„Nikt się tego nie spodziewał – to była kompletna niespodzianka” – mówi Diane Barrett. Rzeczywiście istnieją inne zamknięte przestrzenie w podjednostce A – takie jak główne bramy – które wcześniej uważano za jedyne. Warto zauważyć, że dodatkowa bariera znajduje się nie tylko w białku oka krowy, ale wydaje się, że ma zastosowanie do wszystkich rodzajów zwierząt, jak wykazali naukowcy. Czy to krokodyle, sępy, czy ludzie – wszystkie żywe istoty, które mają kanał jonowy w oczach, mają te same ważne aminokwasy w tej pozycji w białku. Ponieważ jest stale utrzymywany podczas ewolucji, musi być niezbędny do działania kanału.