Cum se deschid simultan canalele de calciu din celulele musculare
Fiecare mișcare pe care o facem începe cu o eliberare de calciu în interiorul celulelor musculare, care le determină să se contracte. Pentru a fi pregătite de acțiune, celulele păstrează calciul blocat într-un compartiment intern numit reticul sarcoplasmic. Membrana acestuia este acoperită de mii de canale RyR1 — cele mai mari canale ionice cunoscute — care conțin pori prin care se eliberează calciul.
Pentru ca un mușchi să se contracte corect, canalele RyR1 trebuie să se deschidă sincron, printr-un mecanism cunoscut sub numele de „deschidere cuplată”. Modul în care reușesc acest lucru a rămas neclar de aproape 30 de ani, de când mecanismul a fost descris.
O echipă condusă de Dr. Vasilii Mikirtumov, fost doctorand în laboratorul de biologie structurală in situ al Dr. Misha Kudryashev de la Centrul Max Delbrück, a reușit acum să surprindă primele imagini 3D de înaltă rezoluție ale RyR1 în șase etape ale deschiderii, în interiorul membranei intacte a reticulului sarcoplasmic. Rezultatele au fost publicate în Nature Communications.
Deși structura RyR1 a mai fost descrisă anterior, studiile precedente au folosit canale care fuseseră extrase din membrană. În schimb, laboratorul Kudryashev a studiat structura RyR1 în mediul său natural, folosind tehnicile avansate de imagistică ale crio-microscopiei electronice și crio-tomografiei.
„Deoarece RyR1 este o proteină membranară, trebuie să o extragi cu detergenți pentru a o purifica. Dar acel mediu poate fi perturbator pentru o proteină atât de sensibilă”, spune Mikirtumov, care este acum cercetător postdoctoral în laboratorul lui Christian Spahn de la Charité – Universitätsmedizin Berlin. „Am vrut să surprindem structura canalului în membrana sa nativă și să aflăm dacă mecanismul său de deschidere arată diferit acolo.”
Cercetătorii au constatat că într-adevăr arată diferit. Imaginile arată că canalele vecine rămân în contact unele cu altele în timpul tranziției de la starea închisă la cea deschisă. Acest contact, sau interfață, mediază deschiderea cuplată: pe măsură ce un canal se rotește pentru a se deschide, exercită o tensiune asupra interfeței cu vecinul său, facilitând rotația și deschiderea acelui canal.
„Este ca roțile dințate ale unui ceas”, spune Kudryashev, autorul principal al lucrării. „Odată ce o roată se învârte, îi pregătește și pe vecinii săi să se învârtă.”
Șase instantanee ale unui canal care se deschide
Echipa a izolat reticulul sarcoplasmic din mușchi de iepure și l-a imagistat la Centrul de Crio-Microscopie Electronică, administrat în comun de Charité – Universitätsmedizin Berlin, Centrul Max Delbrück și Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP). Laboratorul Kudryashev are expertiză specializată în crio-microscopie electronică și crio-tomografie, precum și în instrumentele computaționale necesare pentru analiza datelor rezultate.
„Trimitem electroni prin probă și facem mii de fotografii, fiecare conținând multe copii ale aceleiași proteine”, explică Mikirtumov. „Apoi le mediăm pe toate, iar asta ne oferă o reconstrucție 3D de înaltă rezoluție.”
Adăugând mici molecule pentru a iniția deschiderea canalului, cercetătorii au surprins RyR1 în șase etape între complet închis și complet deschis. Compararea structurilor a revelat întreaga mișcare de deschidere: partea exterioară voluminoasă se rotește în planul membranei, ca atunci când răsucești inelul unui obiectiv de aparat foto, în timp ce porul canalului se lărgește până la aproximativ dublul lățimii inițiale.
Folosind crio-tomografia electronică, echipa a imagistat de asemenea perechi de canale vecine în cinci etape ale deschiderii. Au descoperit că canalele vecine erau mai probabil sincronizate și că două canale închise care interacționează erau mai stabile decât două canale închise izolat. Aceste constatări susțin deschiderea cuplată și sugerează că canalele se mențin reciproc închise.
O țintă pentru tratarea bolilor musculare
Mutațiile genei RYR1 cauzează hipertermia malignă, o reacție care pune viața în pericol la unele anestezice, și miopatii congenitale care slăbesc mușchii. Multe dintre aceste mutații modifică canalul exact în zona în care atinge vecinul său.
„Multe dintre aceste mutații nu par să afecteze modul în care se deschide un singur canal, ci felul în care canalele cooperează cu vecinii lor”, spune Mikirtumov. „Am cartografiat câteva dintre ele pe interfață și credem că, în aceste cazuri, ceea ce se destramă este cooperarea dintre canale.”
Cercetătorii propun că perturbarea la nivelul interfeței dintre canale le face permeabile, eliberând calciu atunci când ar trebui să îl rețină. Astfel, interfața însăși devine o țintă pentru terapii. Echipa testează deja această idee.
„Trebuie să împiedicăm canalele să se deschidă spontan”, spune Kudryashev. „Acum că știm cum este organizată starea inactivă, putem proiecta biologice sau molecule mici pentru a stabiliza această stare închisă.”
