Der Kalziumsensor hilft uns, die Sterne zu sehen

Mithilfe von Kryoelektronenmikroskopie und Massenspektrometrie haben Forschende des PSI die Struktur eines im Auge gefundenen Ionenkanals entschlüsselt, während dieser mit dem Protein Calmodulin interagiert – eine Struktur, die Wissenschaftlern drei Jahrzehnte lang entgangen ist. Sie glauben, dass diese Wechselwirkung erklären könnte, wie unsere Augen eine so bemerkenswerte Empfindlichkeit gegenüber schwachem Licht erreichen können. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht PNAS.

Wenn Sie auf den hellen Bildschirm Ihres Telefons oder Computers schauen, schließen sich die Ionenkanäle in Ihren Augen als Reaktion auf das Licht. Dies ist der letzte Schritt einer durch Licht ausgelösten biochemischen Kaskade. Wenn dies geschieht, können Calciumionen nicht mehr durch die Kanäle in der Zellmembran fließen, und das biochemische Signal wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, das durch das Nervensystem geleitet und schließlich in Ihrem Gehirn verarbeitet wird.

Derselbe Vorgang findet statt, wenn Sie nachts draußen stehen und in den Himmel schauen. Nun führen die Stäbchenzellen diesen Trick aus. Dies sind die Zellen, die unsere Augen für geringe Lichtstärken empfindlich machen, sodass wir in den Nachthimmel blicken und nur wenige Lichtphotonen von einem fernen Stern erkennen können. Wir halten das für selbstverständlich, aber das ist eine bemerkenswerte Leistung.

Ein Team um den PSI-Wissenschaftler Jacopo Marino hat nun besser verstanden, wie ein winziges Protein namens Calmodulin dabei hilft, indem es mit Ionenkanälen in den Stäbchenzellen interagiert. Calmodulin ist ein Calciumsensor. Es ermöglicht der Zelle, auf Kalziumschwankungen zu reagieren – eines der universellen Kommunikationsmittel der Zelle. Das Team, eine Zusammenarbeit zwischen Gruppen des PSI, der ETH Zürich und der Universität Bonn, hat zum ersten Mal die dreidimensionale Struktur des durch zyklische Nukleotide gesteuerten (CNG) Ionenkanals von Stäbchen aufgeklärt, wenn Calmodulin bindet.

Eine wichtige Funktion für Calmodulin im Auge

Vor einem Jahr gelang es den Forschern, die Struktur desselben Ionenkanals zu entschlüsseln, der in Stäbchenzellen einer Rinderretina gefunden wurde und mit dem Ionenkanal identisch ist, der in den Stäbchenzellen unserer Augen gefunden wird. Rod CNG besteht aus vier Untereinheiten, eine Struktur, die mit vielen anderen Ionenkanälen geteilt wird. Eine Besonderheit des Kanals ist jedoch, dass drei Untereinheiten – bekannt als Untereinheit A – identisch sind, während eine vierte – Untereinheit B – unterschiedlich ist.

Wissenschaftler wissen seit langem, dass diese Untereinheit Calmodulin bindet. Im gesamten Tierreich ist dieses Merkmal zu finden. Die genaue Art seiner Rolle ist jedoch unklar geblieben. „Wenn etwas durch die Evolution konserviert wird, ist das ein sehr starker Indikator dafür, dass es in irgendeiner Weise wichtig ist“, erklärt Marino. „Wir wussten, dass Calmodulin die Aktivität des Kanals durch die Untereinheit B moduliert, aber welche Art von strukturellen Veränderungen auftraten, war etwa dreißig Jahre lang ein großes Rätsel, im Wesentlichen weil die Menschen nicht in der Lage waren, die Struktur des Ionenkanals zu lösen.“

Jetzt können die Forscher einen dreidimensionalen Blick darauf werfen, was wirklich passiert. Durch eine Kombination aus Kryoelektronenmikroskopie und Massenspektrometrie konnten sie beobachten, dass der Ionenkanal etwas kompakter wird, wenn Calmodulin bindet.

Die Forscher glauben, dass dies die Art und Weise ist, wie die Natur die Kanäle geschlossen hält. Was wäre der Zweck davon? „Wir denken, dass es eine Möglichkeit ist, spontane Kanalöffnungen zu reduzieren, die Hintergrundgeräusche verursachen würden, sodass unsere Augen empfindlich auf schwaches Licht reagieren können“, sagt Marino.

Massenspektrometrie hilft Forschern, eine zappelige Struktur zu lösen

Es war nicht einfach, die Struktur von Calmodulin und die Ionenkanalbindung zu erhalten. Die Wechselwirkung zwischen Calmodulin und Rod CNG findet in einer hochflexiblen Region des Kanals statt, wo es frei schwingen kann. In der Kryo-Elektronenmikroskopie ist es daher sehr schwierig, hochauflösende Strukturinformationen zu erhalten.

Hier bietet Marino eine Analogie an: „Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Raum mit tanzenden Menschen. Sie machen ein Foto und möchten daraus herausfinden, wie die menschliche Körperform aussieht. Sie können vielleicht herausfinden, wie ein Kopf aussieht, aber Wenn die Gliedmaßen überall hin und her schwingen, werden die Beine und Arme verschwommen sein.“

Es war einem zufälligen Treffen zu verdanken, dass das Team diese zappelige Struktur festnageln konnte. Ph.D. Studentin Dina Schuster hörte einen Vortrag von Marino. „Wir waren bereit, allein auf der Grundlage der Kryo-Elektronenmikroskopie-Daten zu veröffentlichen, was einen Großteil der Interaktion unklar ließ, als Dina auf mich zukam und sagte: ‚Ich glaube, ich kann Ihnen helfen‘“, erinnert er sich.

Schuster entwickelt neuartige, auf Massenspektrometrie basierende Strategien zur Untersuchung von Proteinwechselwirkungen. Diese Techniken verwenden Enzyme, um Proteine ​​in Stücke zu schneiden, entweder unter nativen Bedingungen innerhalb von Teilen der Netzhautmembran oder wenn sie chemisch vernetzt sind. Mittels Massenspektrometrie werden die teilweise zusammengefügten Proteinfragmente identifiziert.

Dies gibt Aufschluss darüber, welche Teile des Proteins im dreidimensionalen Raum dicht beieinander lagen – vergleichbar mit dem Zusammensetzen eines 3D-Puzzles. „Diese Techniken ermöglichten es uns, einige der Möglichkeiten einzugrenzen, die bei der Kryo-Elektronenmikroskopie mehrdeutig waren“, erklärt Schuster, der gemeinsam mit Ph.D. Schülerin, Diane Barret.

Vom Wunder des Sehens bis zu den Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit

Calmodulin reguliert Ionenkanäle nicht nur im Auge, sondern im ganzen Körper und steuert elektrische Signale, die für die korrekte Funktion verschiedener Muskeln und Organe unerlässlich sind. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass, wenn diese Interaktion aufgrund von Mutationen im Calmodulin-Gen schief geht, schwerwiegende gesundheitliche Auswirkungen wie Herzversagen auftreten können: etwas, das noch nicht vollständig verstanden wird.

Die Ergebnisse dieser Studie und die verwendeten Methoden helfen nicht nur dabei, ein grundlegendes Wunder zu verstehen – wie wir die Sterne sehen können –, sondern können auch unser Verständnis der Wechselwirkung von Calmodulin mit Ionenkanälen in anderen Teilen des Körpers unterstützen.