Исследователи получили динамические изображения белка в атомном масштабе, необходимые для поддержания прозрачности хрусталика человеческого глаза. Работа, частично финансируемая Национальными институтами здравоохранения, может привести к новым открытиям и лекарствам для лечения катаракты и множества других заболеваний.
Белки аквапоринов образуют водные каналы между клетками и обнаруживаются во многих тканях, но нулевой аквапорин (AQP0) находится только в хрусталике млекопитающих, который фокусирует свет на сетчатку, в задней части глаза. Хрусталик в основном состоит из уникальных клеток, называемых волокнами хрусталика, которые не содержат ничего, кроме воды и белков, называемых кристаллинами. Плотная упаковка этих волокон и белков-кристаллинов внутри них помогает создать однородную среду, которая позволяет свету проходить через линзу, как если бы это было стекло.
Аномальное развитие или возрастные изменения хрусталика могут привести к катаракте – помутнению хрусталика, вызывающему потерю зрения. Помимо возраста, к другим факторам риска катаракты относятся курение, диабет и генетические факторы. Мутации в гене AQP0 могут вызвать врожденную катаракту и могут увеличить риск возрастной катаракты.
"Считается, что канал AQP0 играет жизненно важную роль в поддержании прозрачности хрусталика и в регулировании объема воды в волокнах хрусталика, поэтому понимание молекулярных деталей того, как вода течет через канал, может привести к лучшему пониманию катаракты," сказал доктор. Хумам Арадж, который курирует программы по линзам, катаракте и глазодвигательной системе в Национальном институте глаза (NEI) Национального института здоровья, который помог финансировать исследования.
Закрытие каналов AQP0 регулируется кальций-чувствительным белком, называемым кальмодулином, но точный механизм неясен. Некоторые модели предполагают, что кальмодулин просто действует как пробка, заполняющая открытый канал. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Structural and Molecular Biology, раскрывает более тонкий процесс, в котором кальмодулин захватывает открытый канал и заставляет его закрыться.
Исследование было результатом сотрудничества исследователей из Калифорнийского университета в Ирвине и исследовательского кампуса Janelia Farm в Эшберне, штат Вирджиния., часть Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI). Доктора. Джеймс Холл и Дуглас Тобиас возглавили работу в Калифорнийском университете в Ирвине. Доктор. Тамир Гонен руководил работой на ферме Джанелия.
В предыдущих исследованиях д-р. Гонен исследовал атомную структуру белка AQP0 с помощью рентгеновской кристаллографии, которая включает кристаллизацию белка и бомбардировку его рентгеновскими лучами. Но рентгеновская кристаллография не работает для больших групп белков или для белков в движении. Итак, в новом исследовании ученые сначала использовали электронную микроскопию, чтобы увидеть, как AQP0 и кальмодулин связаны вместе. Затем они объединили свои данные микроскопии и кристаллографии, чтобы создать компьютеризированные модели взаимодействия двух белков и определить наиболее важные аминокислоты (строительные блоки для белков) в AQP0. Чтобы проверить свои модели, они нейтрализовали эти аминокислоты одну за другой в реальном канале AQP0.
Канал AQP0 состоит из четырех одинаковых бочкообразных блоков, соединенных бок о бок. Исследователи обнаружили, что в присутствии кальция кальмодулин связывается с одной единицей, а затем с другой, как если бы он цеплялся за пару поводьев. Это заставляет канал немного скручиваться, что приводит к тому, что всего несколько аминокислот в каждой единице скользят в ядро канала и блокируют поток воды.
"Кальмодулин, по сути, запускает молекулярный переключатель, который перемещается в пору воды и выходит из нее, как запорный клапан в водопроводной арматуре," Доктор. Холл сказал.
Этот новый взгляд на AQP0 может помочь в разработке новых подходов к лечению катаракты, доктор. Холл сказал. Катаракта – самая частая причина слепоты во всем мире. В Соединенных Штатах от них страдает примерно 1 из 6 человек старше 40 лет и половина старше 80 лет. Врожденная катаракта (присутствует с рождения) встречается примерно у 1 из 5000 американских детей.
Катаракту можно успешно лечить с помощью операции, при которой мутный хрусталик удаляется и заменяется искусственным пластиковым хрусталиком. Но новые находки "может быть шагом к изучению того, как предотвратить или отсрочить катаракту," сказал доктор. зал.
Новые результаты также позволяют понять, как кальмодулин взаимодействует с различными белковыми каналами, и, таким образом, могут открыть двери для новых лекарств от других распространенных заболеваний. Помимо аквапоринов, наш организм зависит от огромного количества каналов, многие из которых регулируются кальмодулином. Например, кальмодулин помогает контролировать закрытие ионных каналов, которые позволяют ионам (заряженным частицам) проходить внутрь и из наших клеток и необходимы для возбуждения нервных клеток, сокращения мышц и ритмичного биения сердца. Это исследование предоставляет первую структурную модель кальмодулина, связанного с любым полным белковым каналом.