Informații structurale despre activarea canalelor de calciu în celulele musculare
Cercetătorii de la Max Delbrück Center au utilizat microscopie crio-electronică pentru a revela modul în care canalele de calciu din celulele musculare se deschid sincronizat.
Rezultatele, publicate în „Nature Communications”, ar putea explica un mecanism din spatele unor boli musculare grave.
Fiecare pas pe care îl facem începe cu o explozie de calciu în interiorul celulelor musculare, provocând contracția acestora. Pentru a se pregăti de acțiune, celulele păstrează calciul închis într-un compartiment intern, reticulul sarcoplasmic. Pe membrana acestuia se află mii de canale RyR1 – cele mai mari canale ionice cunoscute – care conțin pori ce eliberează calciul. Pentru ca un mușchi să se contracte corect, canalele RyR1 trebuie să se deschidă sincronizat printr-un mecanism numit „gating cuplaj”. Modul în care se realizează acest lucru a fost neclar timp de aproape 30 de ani.
O echipă condusă de Dr. Vasilii Mikirtumov a capturat acum primele imagini 3D de înaltă rezoluție ale RyR1 în șase etape de deschidere, în interiorul membranei intacte a reticulului sarcoplasmic. Această cercetare a fost publicată în „Nature Communications”.
Deși structura RyR1 a fost descrisă anterior, studiile anterioare au folosit canale care au fost îndepărtate din membrană. În schimb, laboratorul Kudryashev a studiat structura RyR1 în mediul său natural, folosind tehnici avansate de imagistică prin microscopie crio-electronică și tomografie. „Pentru că RyR1 este o proteină de membrană, trebuie să o extragi cu detergenți pentru a o purifica. Dar acest mediu poate fi perturbator pentru o astfel de proteină sensibilă”, spune Mikirtumov. „Am dorit să capturăm structura canalului în membrana sa nativă și să aflăm dacă mecanismul de deschidere arată diferit acolo.”
Cercetătorii au constatat că, într-adevăr, se întâmplă acest lucru. Imaginile arată că canalele vecine rămân în contact între ele atunci când trec de la starea închisă la cea deschisă. Acest contact sau interfață mediază gatingul cuplaj: pe măsură ce un canal se rotește deschis, acesta tensionează interfața cu vecinul său, facilitând deschiderea și pentru acel canal.
„E ca rotițele unui ceas. Odată ce o rotiță se mișcă, își pregătește vecinii să se miște și ei”, afirmă Dr. Misha Kudryashev.
Echipa a izolat reticulul sarcoplasmic din mușchiul de iepure și l-a imagisticat la Core Facility for Cryo-Electron Microscopy, care este administrat în comun de Charité – Universitätsmedizin Berlin, Max Delbrück Center și Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP). Laboratorul Kudryashev are expertiză specializată în microscopie crio-electronică și tomografie, precum și în instrumentele computaționale necesare pentru analiza datelor rezultate.
„Tragem electroni prin eșantion și facem mii de fotografii, fiecare având multe copii ale aceleași proteine”, explică Mikirtumov. „Apoi, le mediem toate împreună și asta ne oferă o reconstrucție 3D de înaltă rezoluție.”
Adăugând molecule mici pentru a iniția deschiderea canalului, cercetătorii au surprins RyR1 în șase etape între complet închis și complet deschis. Comparând structurile, au descoperit întreaga mișcare de deschidere: partea exterioară voluminoasă se rotește în planul membranei, asemeni rotirii unui inel de cameră, în timp ce porul canalului se lărgește la aproximativ dublul lățimii sale originale.
Folosind tomografia crio-electronică, echipa a imagisticat, de asemenea, perechi de canale vecine în cinci etape de deschidere. Au descoperit că canalele vecine erau mai susceptibile să fie sincronizate și că două canale închise care interacționează erau mai stabile decât două canale închise în izolare. Aceste descoperiri susțin gatingul cuplaj și sugerează că canalele se mențin reciproc închise.
Mutatiile din gena RYR1 cauzează hipertermia malignă, o reacție care poate pune viața în pericol la unele anestezice, și miopatii congenitale care slăbesc mușchii. Multe dintre aceste mutații alterează canalul exact acolo unde se atinge de vecinul său.
„Multe dintre aceste mutații nu par să afecteze modul în care se deschide un singur canal, ci mai degrabă modul în care canalele colaborează cu vecinii lor”, afirmă Mikirtumov. „Am mapat câteva dintre ele pe interfață și credem că, în aceste cazuri, cooperarea între canale se destramă.”
Cercetătorii propun că o disfuncție la interfața dintre canale le face să devină poroase, eliberând calciu când ar trebui să-l rețină. Aceasta face din interfață o țintă pentru terapii.
Echipa testează deja această idee. „Trebuie să prevenim deschiderea spontană a canalelor”, spune Kudryashev. „Acum că știm cum este organizată starea inactivă, putem proiecta biologice sau molecule mici pentru a stabiliza această stare închisă.”
