研究者は、目の桿体細胞 (青で表示) からイオンチャネルの構造を解読し、タンパク質カルモジュリン (紫) と相互作用します。 この相互作用は、目のイオン チャネルだけでなく、心臓などの体の他の部分のイオン チャネルの機能にも重要です。 クレジット: Paul Scherrer Institute / Dina Schuster
エキサイティングな新しい発見は、目の中のタンパク質カルモジュリンとイオンチャネルとの間の相互作用に光を当て、低光条件に対する私たちの目の並外れた感受性の背後にある秘密を解き明かす可能性があります.
クライオ電子顕微鏡法と質量分析法を利用して、PSI の研究者チームは、タンパク質カルモジュリンと相互作用する際の目のイオン チャネルの構造を解明することに成功しました。これは、科学者を 30 年間悩ませてきたパズルです。 この相互作用は、私たちの目が薄暗い光に対してこれほどまでに優れた感度を達成する方法を説明することができます。 調査結果が雑誌に掲載されました PNAS.
携帯電話やコンピューターの明るい画面を見つめると、目のイオン チャネルが閉じて光に反応します。 このアクションは、光への暴露によって開始される生化学的連鎖反応の集大成を示します。 その結果、カルシウムイオンは細胞膜にあるチャネルを通過できなくなり、生化学信号が電気信号に変換されます。 この信号は神経系を通過し、最終的に脳に到達して処理されます。
夜に外に立って空を見上げたときも同じプロセスが起こります。 さて、桿体細胞がこのトリックを実行します。 これらは、私たちの目を低レベルの光に敏感にする細胞であり、夜空を見て、遠くの星からの光のほんの数個の光子を検出できるようにします. これは当たり前のことですが、これは驚くべき偉業です。
PSI の科学者である Jacopo Marino が率いるチームは、桿体細胞のイオン チャネルと相互作用することにより、カルモジュリンと呼ばれる小さなタンパク質がこれを達成するのにどのように役立つかについての理解を深めました。 カルモジュリンはカルシウムセンサーです。 それは、細胞がカルシウムの変動に反応することを可能にします。これは、細胞の普遍的なコミュニケーション手段の 1 つです。 PSI、ETH チューリッヒ、およびボン大学のグループ間の共同研究チームは、カルモジュリンが結合する際のロッド環状ヌクレオチド依存性 (CNG) イオン チャネルの 3 次元構造を初めて解明しました。
目のカルモジュリンの重要な機能
1 年前、研究者は、牛の網膜の桿体細胞に見られるこの同じイオン チャネルの構造を解読することに成功し、私たちの目の桿体細胞に見られるイオン チャネルと同一です。 Rod CNG は 4 つのサブユニットで構成されており、この構造は他の多くのイオン チャネルと共有されています。 しかし、チャネルの特異性は、サブユニット A として知られる 3 つのサブユニットが同一である一方で、4 番目のサブユニット B が異なることです。
科学者たちは、このサブユニットがカルモジュリンに結合することを長い間知っていました. 動物界全体で、この特徴が見られます。 しかし、その役割の正確な性質は不明のままです。 「何かが進化によって保存されている場合、それは何らかの形で重要であることを示す非常に強力な指標です」とマリノは説明します。 「カルモジュリンがサブユニット B を介してチャネルの活動を調節することはわかっていましたが、どのような構造変化が起こっているのかは、約 30 年間大きな謎でした。これは、基本的に人々がイオンチャネルの構造を解明できなかったためです。」
現在、研究者は、実際に何が起こっているのかを 3 次元で見ることができます。 クライオ電子顕微鏡法と質量分析法を組み合わせることで、カルモジュリンが結合すると、イオンチャネルがもう少しコンパクトになることを観察できました。
研究者は、これがチャネルを閉じたままにする自然の方法であると信じています. これの目的は何でしょうか？ 「これは、バックグラウンド ノイズの原因となる自発的なチャンネルの開口部を減らして、私たちの目が薄暗い光に敏感になるようにするための方法だと考えています」とマリノは言います。
質量分析は、研究者がうねる構造を解明するのに役立ちます
カルモジュリンの構造とイオン チャネル結合を取得することは容易ではありませんでした。 カルモジュリンとロッド CNG の間の相互作用は、チャネルの非常に柔軟な領域で発生し、そこでは自由にスイングできます。 クライオ電子顕微鏡では、これにより高解像度の構造情報を取得することが非常に困難になります。 ここでマリノは、「ダンスをしている人々の部屋があると想像してください。 あなたは写真を撮り、そこから人間の体の形を理解したいと思っています。 頭がどのように見えるかはわかるかもしれませんが、手足があちこちで揺れていると、足と腕がぼやけてしまいます。」
チームがこのうねる構造を突き止めることができたのは、偶然の出会いのおかげでした。 博士号学生の Dina Schuster さんは、Marino さんのプレゼンテーションを聞きました。 「クライオ電子顕微鏡データのみに基づいて公開する準備ができていたため、相互作用の多くがあいまいなままでした.Dinaが私に近づいてきて、「私はあなたを助けることができると思います」と言った.
Schuster は、タンパク質相互作用を研究するための新しい質量分析ベースの戦略を開発しています。 これらの技術は、酵素を使用して、網膜膜の一部内のネイティブな状態で、または化学的に架橋されたときに、タンパク質を断片に切り刻みます。 一部が結合しているタンパク質断片は、質量分析によって同定されます。 これにより、タンパク質のどの部分が 3 次元空間で接近しているかについての情報が明らかになります。これは、3D ジグソー パズルをつなぎ合わせることに相当します。 「これらの技術により、クライオ電子顕微鏡法ではあいまいだった可能性のいくつかを絞り込むことができました」と、博士課程の学生であるダイアン・バレットと共にこの出版物の共同筆頭著者であるシュースターは説明します。
視覚の驚異から人間の健康への影響まで
カルモジュリンは、目だけでなく全身のイオン チャネルを調節し、さまざまな筋肉や臓器が正しく機能するために不可欠な電気信号を制御します。 近年、カルモジュリン遺伝子の変異によりこの相互作用がうまくいかなくなると、心不全などの深刻な健康への影響が生じる可能性があることが明らかになりましたが、これはまだ完全には理解されていません.
この研究の発見と使用された方法は、最も基本的な不思議である星を見る方法を理解するのに役立つだけでなく、カルモジュリンと身体の他の部分のイオンチャネルとの相互作用を理解するのに役立つかもしれません.
参考文献: Diane CA Barret、Dina Schuster、Matthew J. Rodrigues、Alexander Leitner、Paola Picotti、Gebhard FX Schertler、U. Benjamin Kaupp、Volodymyr M. Korkhov による「ロッド環状ヌクレオチドゲート チャネルのカルモジュリン変調の構造的基礎」ヤコポ・マリノ、2023 年 4 月 3 日、 米国科学アカデミーの議事録.
DOI: 10.1073/pnas.2300309120