钙传感器帮助我们看到星星

PSI 的研究人员使用冷冻电子显微镜和质谱法破译了眼睛中发现的离子通道的结构，同时它与蛋白质钙调蛋白相互作用——这种结构一直困扰着科学家 30 年。他们认为，这种相互作用可以解释我们的眼睛如何对昏暗的光线产生如此显着的敏感性。他们的结果发表在《国家科学院院刊》上。

当您注视手机或电脑的明亮屏幕时，眼睛中的离子通道会响应光线而关闭。这是由光引发的生化级联反应的最后一步。发生这种情况时，钙离子将无法再流经位于细胞膜上的通道，生化信号将转化为电信号，通过神经系统，最终在您的大脑中进行处理。

当你晚上站在外面抬头仰望天空时，也会发生同样的过程。现在，杆细胞执行这个技巧。这些细胞使我们的眼睛对低水平的光线敏感，使我们能够仰望夜空并检测到来自遥远恒星的光的几个光子。我们认为这是理所当然的，但这是一项了不起的壮举。

由 PSI 科学家 Jacopo Marino 领导的一个团队现在提高了我们对一种叫做钙调蛋白的微小蛋白质如何通过与视杆细胞中的离子通道相互作用来帮助实现这一目标的理解。钙调蛋白是一种钙传感器。它使细胞能够对钙波动作出反应——这是细胞通用的通讯方式之一。该团队由 PSI、苏黎世联邦理工学院和波恩大学的团队合作，首次阐明了钙调蛋白结合时棒状环核苷酸门控 (CNG) 离子通道的三维结构。

钙调蛋白在眼中的重要功能

一年前，研究人员成功破译了同一离子通道的结构，该离子通道存在于牛视网膜的视杆细胞中，与我们眼睛视杆细胞中的离子通道相同。Rod CNG 由四个亚基组成，该结构与许多其他离子通道共享。然而，该通道的一个特点是三个亚基 - 称为亚基 A - 是相同的，而第四个 - 亚基 B - 是不同的。

科学家们很早就知道这个亚基与钙调蛋白结合。在整个动物王国中，都发现了这种特征。然而，其作用的确切性质仍不清楚。“如果某物在进化过程中得以保存下来，那么这是一个非常有力的指标，表明它在某种程度上很重要，”马里诺解释道。“我们知道钙调蛋白通过亚基 B 调节通道的活性，但大约三十年来发生了什么样的结构变化一直是个大谜，主要是因为人们无法解决离子通道的结构。”

现在，研究人员可以提供有关实际情况的三维视图。通过冷冻电子显微镜和质谱的结合，他们可以观察到随着钙调蛋白的结合，离子通道变得更加紧凑。

研究人员认为，这是自然界关闭通道的方式。这样做的目的是什么?“我们认为这是一种减少会引起背景噪音的自发通道开口的方法，这样我们的眼睛就可以对昏暗的光线敏感，”马里诺说。

质谱帮助研究人员解决蠕动结构

获得钙调蛋白的结构和离子通道结合并不容易。钙调蛋白和 Rod CNG 之间的相互作用发生在通道的高度灵活区域，它可以自由摆动。在冷冻电子显微镜中，这使得获得高分辨率结构信息变得非常困难。在这里，马里诺打了个比方，“想象一下，你有一屋子人在跳舞。你拍一张照片，然后想从中算出人体的形状是什么。你或许可以算出头部的样子，但四肢到处摆动，腿和手臂就会变得模糊。”

多亏了一次偶然的相遇，团队才确定了这个扭曲的结构。博士生 Dina Schuster 听了 Marino 的演讲。“我们准备仅根据冷冻电子显微镜数据发表文章，这让很多互动变得模棱两可，当 Dina 走近我说‘我想我可以帮助你’时，”他回忆道。

Schuster 正在开发基于质谱的新型策略来研究蛋白质相互作用。这些技术使用酶将蛋白质切成碎片，无论是在视网膜膜部分的天然条件下还是在化学交联时。蛋白质片段，其中一些连接在一起，通过质谱法鉴定。这揭示了蛋白质的哪些部分在三维空间中靠得很近的信息——相当于拼凑一个 3D 拼图游戏。“这些技术使我们能够缩小冷冻电子显微镜无法确定的一些可能性，”Schuster 解释说，他是该出版物的第一作者，也是博士生 Diane Barret。

从神奇的视觉到对人类健康的影响

钙调蛋白不仅调节眼睛的离子通道，而且调节整个身体的离子通道，控制对各种肌肉和器官的正常功能至关重要的电信号。近年来，很明显，当这种相互作用由于钙调蛋白基因突变而出错时，可能会对健康产生严重影响，例如心力衰竭：这是尚未完全了解的事情。

除了帮助我们理解一个最基本的奇迹——我们如何能看到星星——这项研究的结果和使用的方法，可能有助于我们理解钙调蛋白与身体其他部位离子通道的相互作用。