钙传感器帮助我们看星星

使用冷冻电子显微镜和质谱法，PSI的研究人员破译了眼睛中发现的离子通道的结构，同时它与蛋白质钙调蛋白相互作用 - 这种结构已经躲避了科学家三十年。他们认为，这种相互作用可以解释我们的眼睛如何能够对昏暗的光线达到如此显着的灵敏度。他们的研究结果发表在PNAS杂志上。

当您看着手机或电脑的明亮屏幕时，眼睛中的离子通道会响应光线而关闭。这是由光触发的生化级联的最后一步。当这种情况发生时，钙离子不能再流过位于细胞膜中的通道，生化信号被转换成通过神经系统的电信号，最终在你的大脑中进行处理。

当你晚上站在外面仰望天空时，也会发生同样的过程。现在，视杆细胞执行这个技巧。这些细胞使我们的眼睛对低水平的光线敏感，使我们能够观察夜空并检测到来自遥远恒星的几个光子。我们认为这是理所当然的，但这是一项了不起的壮举。

由PSI科学家Jacopo Marino领导的一个团队现在已经提高了我们对一种叫做钙调蛋白的微小蛋白质如何通过与杆细胞中的离子通道相互作用来帮助实现这一目标的理解。钙调蛋白是一种钙传感器。它使细胞能够对钙波动做出反应 - 钙波动是细胞的通用通信方式之一。该团队是PSI，苏黎世联邦理工学院和波恩大学小组之间的合作，首次阐明了钙调蛋白结合的杆环核苷酸门控(CNG)离子通道的三维结构。

钙调蛋白在眼睛中的重要功能

一年前，研究人员成功地破译了在牛视网膜视杆细胞中发现的相同离子通道的结构，与我们眼睛视杆细胞中发现的离子通道相同。棒状CNG由四个亚基组成，该亚基与许多其他离子通道共享。然而，通道的一个特点是三个亚基(称为亚基A)是相同的，而第四个亚基(亚基B)是不同的。

科学家们早就知道这个亚基结合钙调蛋白。在整个动物王国中，都发现了这一特征。然而，其作用的确切性质仍不清楚。“如果某样东西通过进化而保守，那么它就是一个非常有力的指标，表明它在某种程度上很重要，”马里诺解释说。“我们知道钙调蛋白通过亚基B调节通道的活性，但是大约三十年来，发生哪种结构变化一直是一个大谜，主要是因为人们无法解决离子通道的结构。

现在，研究人员可以提供真正发生的事情的三维视图。通过冷冻电子显微镜和质谱的结合，他们可以观察到，随着钙调蛋白结合，离子通道变得更加紧凑。

研究人员认为，这是大自然关闭通道的方式。这样做的目的是什么?“我们认为这是一种减少自发通道开口的方法，这些通道会引起背景噪音，这样我们的眼睛就可以对昏暗的光线敏感，”Marino说。

质谱法帮助研究人员解决蠕动结构

获得钙调蛋白的结构和离子通道结合并不容易。钙调蛋白和棒CNG之间的相互作用发生在通道的高度灵活的区域，在那里它可以自由摆动。在冷冻电子显微镜中，这使得获得高分辨率结构信息变得非常困难。

在这里，马里诺打了一个比方，“想象一下，你有一屋子的人在跳舞。你拍了一张照片，想从中找出人体形状。你也许能够弄清楚头部是什么样子的，但是四肢到处挥舞，腿和胳膊就会变得模糊。

多亏了一次偶然的会面，团队才能确定这个蠕动的结构。博士生迪娜·舒斯特(Dina Schuster)听取了马里诺的演讲。他回忆说：“我们准备仅根据冷冻电子显微镜数据进行发布，这让大部分相互作用变得模棱两可，这让大部分相互作用变得模棱两可，这时迪娜走近我说'我想我可以帮你'。

Schuster正在开发基于质谱的新型策略来研究蛋白质相互作用。这些技术使用酶将蛋白质切成碎片，无论是在视网膜部分内的天然条件下还是在化学交联时。蛋白质片段，其中一些连接在一起，通过质谱法鉴定。

这揭示了蛋白质的哪些部分在三维空间中靠近的信息 - 相当于拼凑一个3D拼图游戏。“这些技术使我们能够缩小冷冻电子显微镜模糊的一些可能性，”Schuster解释说，他是该出版物的联合第一作者。

从视觉的奇迹到对人类健康的影响

钙调蛋白不仅调节眼睛中的离子通道，而且调节整个身体的离子通道，控制对纠正不同肌肉和器官功能至关重要的电信号。近年来，很明显，当这种相互作用由于钙调蛋白基因突变而出错时，可能会对健康产生严重的影响，例如心力衰竭：尚未完全了解。

除了帮助我们理解一个最基本的奇迹 - 我们如何看到星星 - 这项研究的结果和所使用的方法可能有助于我们理解钙调蛋白与身体其他部位离子通道的相互作用。