Misteri mata berusia 30 tahun telah terpecahkan – struktur saluran ion telah diuraikan

Temuan baru yang menarik menyoroti interaksi antara protein calodulin dan saluran ion di mata, yang dapat mengungkap rahasia di balik kepekaan luar biasa mata kita terhadap kondisi cahaya redup.

Menggunakan mikroskop elektron kriogenik dan spektrometri massa, tim peneliti dari PSI telah berhasil mengungkap struktur saluran ion di mata tempat ia berinteraksi dengan protein calodulin – sebuah misteri yang membingungkan para ilmuwan selama 30 tahun. Reaksi ini bisa menjelaskan bagaimana mata kita bisa mencapai kepekaan yang luar biasa terhadap cahaya redup. Hasilnya telah dipublikasikan di jurnal PNAS.

Saat Anda melihat layar terang ponsel atau komputer Anda, saluran ion di mata Anda bereaksi terhadap cahaya dengan menutupnya. Tindakan ini merupakan puncak dari reaksi kimia berantai yang dimulai oleh paparan cahaya. Akibatnya, ion kalsium tidak dapat lagi melintasi saluran di membran sel, yang mengarah pada pengubahan sinyal biokimia menjadi sinyal listrik. Sinyal ini kemudian berjalan melalui sistem saraf Anda, akhirnya mencapai otak Anda untuk diproses.

Proses yang sama terjadi saat Anda berdiri di luar pada malam hari dan melihat ke langit. Sekarang, sel batang melakukan triknya. Ini adalah sel-sel yang membuat mata kita peka terhadap tingkat cahaya rendah, memungkinkan kita melihat langit malam dan mendeteksi beberapa foton cahaya dari bintang yang jauh. Kami menerima begitu saja, tetapi ini adalah prestasi yang luar biasa.

Sekarang tim yang dipimpin oleh ilmuwan PSI Jacopo Marino telah meningkatkan pemahaman kita tentang bagaimana protein kecil yang disebut calmodulin membantu melakukan ini, dengan berinteraksi dengan saluran ion dalam sel batang. Calmodulin adalah sensor kalsium. Ini memungkinkan sel untuk merespons fluktuasi kalsium – salah satu metode komunikasi universal sel. Tim, kolaborasi antara kelompok di PSI, ETH Zurich dan University of Bonn, telah menjelaskan struktur tiga dimensi saluran ion cyclic nucleotide (CNG) yang berikatan dengan calmodulin.

Fungsi penting dari calmodulin di mata

Setahun yang lalu, para peneliti berhasil menguraikan struktur saluran ion yang sama ini, yang ditemukan di sel batang retina sapi dan identik dengan saluran ion yang ditemukan di sel batang mata kita. Batang CNG terdiri dari empat subunit, struktur yang umum untuk banyak saluran ion lainnya. Namun, kekhasan saluran tersebut adalah bahwa tiga subunit—dikenal sebagai subunit A—identik, sedangkan subunit keempat—subunit B—berbeda.

Para ilmuwan telah lama mengetahui bahwa subunit ini mengikat kalmodulin. Di seluruh kerajaan hewan, fitur ini ditemukan. Namun, sifat pasti dari perannya masih belum jelas. “Jika sesuatu telah diawetkan melalui evolusi, itu adalah indikasi yang sangat kuat bahwa itu penting dalam beberapa hal,” jelas Marino. “Kami tahu bahwa kalmodulin memodulasi aktivitas saluran melalui subunit B, tetapi perubahan struktural seperti apa yang terjadi telah menjadi misteri besar selama sekitar tiga puluh tahun, terutama karena orang belum dapat memecahkan struktur saluran ion.”

Sekarang, peneliti dapat memberikan tampilan 3D tentang apa yang sebenarnya terjadi. Melalui kombinasi mikroskop cryo-elektron dan spektrometri massa, mereka dapat mencatat bahwa ketika kalmodulin berikatan, saluran ion menjadi sedikit lebih rapat.

Para peneliti percaya ini adalah cara alami untuk menutup saluran. Apa tujuan dari ini? “Kami pikir ini adalah cara untuk mengurangi bukaan saluran spontan yang dapat menyebabkan kebisingan latar belakang sehingga mata kami peka terhadap cahaya redup,” kata Marino.

Spektrometri massa membantu peneliti memecahkan struktur zigzag

Memperoleh struktur kalmodulin dan mengikat saluran ion tidaklah mudah. Interaksi antara calmodulin dan Rod CNG terjadi di daerah saluran yang sangat elastis, di mana ia bebas berosilasi. Dalam mikroskop cryo-elektron, ini membuatnya sangat sulit untuk mendapatkan informasi struktural beresolusi tinggi. Di sini, Marino menawarkan analogi, “Bayangkan Anda memiliki ruangan orang menari. Anda mengambil gambar dan Anda ingin menyimpulkan dari bentuk tubuh manusia. Anda mungkin dapat mengetahui seperti apa kepala itu, tetapi dengan anggota badan melambai ke mana-mana, kaki dan lengan akan kabur.”

Berkat pertemuan kebetulan, tim dapat menentukan dengan tepat struktur bergerigi ini. Ph.D. Siswa Dina Schuster mendengarkan presentasi oleh Marino. “Kami bersiap-siap untuk mempublikasikan berdasarkan data mikroskopi cryo-elektron saja, yang meninggalkan banyak reaksi yang ambigu, ketika Dina mendekati saya dan berkata ‘Saya pikir saya dapat membantu Anda’,” kenangnya.

Schuster sedang mengembangkan strategi berbasis spektrometri massa baru untuk mempelajari interaksi protein. Teknik-teknik ini menggunakan enzim untuk memotong protein menjadi potongan-potongan, baik dalam kondisi asli di dalam bagian membran retina atau pada pengikatan silang kimiawi. Fragmen protein, yang terikat bersama, diidentifikasi dengan spektrometri massa. Ini mengungkapkan informasi tentang bagian protein mana yang berdekatan dalam ruang tiga dimensi — setara dengan menyusun teka-teki tiga dimensi. “Teknik-teknik ini telah memungkinkan kami untuk mempersempit beberapa kemungkinan yang tidak jelas dengan mikroskop cryo-elektron,” jelas Schuster, yang merupakan penulis pertama publikasi bersama dengan mahasiswa PhD, Diane Barrett.

Dari keajaiban penglihatan hingga implikasinya bagi kesehatan manusia

Calmodulin mengatur saluran ion tidak hanya di mata tetapi di seluruh tubuh, mengendalikan sinyal listrik yang penting untuk berfungsinya berbagai otot dan organ. Dalam beberapa tahun terakhir, menjadi jelas bahwa ketika reaksi ini salah akibat mutasi pada gen calodulin, dapat menimbulkan efek kesehatan yang serius, seperti gagal jantung: sesuatu yang belum sepenuhnya dipahami.

Selain membantu kita memahami salah satu keajaiban mendasar — ​​bagaimana kita dapat melihat bintang — hasil penelitian ini, dan metode yang digunakan, dapat membantu pemahaman kita tentang interaksi kalmodulin dengan saluran ion di bagian lain tubuh.

Referensi: “Dasar Struktural Modifikasi Codolin dari Saluran Nukleotida Siklik Batang” Oleh Diane C.A. Barrett, Dina Schuster, Matthew J. Rodrigues, Alexander Leitner, Paola Picotti, Gibbard FX Schertler, U. Benjamin Cobb, Volodymyr M. Korkov, dan Jacobo Marino, 3 April 2023, Tersedia Di Sini. Prosiding National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2300309120