Nature子刊：更深入了解视觉如何工作

时间：2022-01-05 00:00:00 来源：网络整理

pSI的科学家已经揭示了眼睛的一个重要组成部分:视网膜杆状细胞中的一种蛋白质，它可以帮助我们在昏暗的光线中看清东西。作为细胞膜上的离子通道，这种蛋白质负责将光信号从眼睛传递到大脑。如果一种遗传疾病破坏了一个人的分子功能，他们就会失明。科学家已经破译了这种蛋白质的三维结构，为创新的医学治疗铺平了道路。

“多亏了我们眼睛里的杆状细胞，我们才能观察到夜空中的星星，”pSI生物分子研究实验室的生物学家雅格布·马里诺解释说。“这些光电池对光线非常敏感，它们甚至可以探测到从宇宙非常遥远的地方到达我们这里的单个光子——这是一个真正令人难以置信的壮举。”我们的大脑最终将这些光束转化为视觉印象的能力部分归功于循环核苷酸门控(CNG)离子通道，该通道的三维结构现在已经被Jacopo Marino领导的pSI研究小组揭示。

离子通道扮演着看门人的角色，控制着特定的粒子是否被允许进入受体细胞内部。它嵌在杆状细胞富含蛋白质的外壳——细胞膜中。在黑暗中，离子通道，也就是通向细胞的通道，是完全打开的。但当光线照射到眼睛时，它会在杆状细胞中触发一连串的过程。这最终导致栅极关闭，结果是带正电荷的粒子，如钙离子，不能再进入细胞。

这种电化学信号继续通过神经细胞进入大脑的视觉皮层，在那里产生视觉印象，比如一道闪光。“解决这个通道结构的想法可以追溯到近20年前，当时Gebhard Schertler和Benjamin Kaupp已经在这个课题上进行了合作，”Jacopo Marino说。两人都是这项新研究的共同作者。

得到了回报

博士生戴安·巴雷特首先必须从屠宰场提供的牛眼睛中提取通道蛋白——这是一个复杂而艰巨的过程。“这是一项非常具有挑战性的任务，因为这种蛋白质非常敏感，分解也非常快。此外，它在原始材料中只有少量可用，”巴雷特解释说。他们花了整整两年的时间才获得足够的蛋白质。“我们俩都太固执了，都不肯轻易放弃，”雅格布?马里诺笑着说。“但最后，他的固执得到了回报。”

然后，科学家们使用低温电子显微镜来揭示离子通道的三维结构。“与之前对离子通道结构的研究不同，我们研究了存在于眼睛中的天然蛋白质。因此，我们更接近于存在于生物体内的真实情况。”

为什么更清楚地了解通道蛋白的自然结构是重要的原因之一，是为了推进治疗基因疾病的发展，这些疾病还没有已知的治愈方法，如色素性视网膜炎。随着这种疾病的发生，光感受器逐渐死亡，导致人们失明。一个可能的原因是，由于遗传缺陷，身体无法正确地产生CNG通道蛋白。因此，当光线照射到眼睛时，离子通道并没有完全关闭，破坏了细胞的电化学平衡，导致细胞死亡。

Jacopo Marino解释说:“如果我们能找到影响蛋白质的分子，使通道完全关闭，我们就能防止细胞死亡，从而防止人们失明。”现在，研究人员已经确定了这种蛋白质的精确结构，他们可以专门寻找这种分子。

额外的障碍

该蛋白由四部分组成:3个亚基A和1个亚基b。正确运作的离子通道只有在这种组合中才可能。在他们的研究中，pSI的科学家们展示了为什么B亚基似乎扮演着如此重要的角色:蛋白质的侧臂——一个单一的氨基酸——从蛋白质的其余部分突出来，就像跨越一个通道的屏障。这就使通道变窄到没有离子可以通过的程度。

“没有人预料到这一点——这完全是一个惊喜，”Diane Barret说。其他狭窄的地方已经存在于A子单元中——像主网关——以前被认为是唯一的。有趣的是，科学家们发现，这种额外的屏障不仅存在于牛眼睛的蛋白质中，而且似乎适用于所有类型的动物。无论是鳄鱼、鹰还是人类——所有眼睛中有离子通道的生物都在蛋白质的这个位置有相同的突出的氨基酸。由于它在进化过程中被如此一致地保存下来，它必须对通道的功能至关重要。

文章标题

The structure of the native CNGA1/CNGB1 CNG channel from retinal rods

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