Os pesquisadores decodificaram a estrutura do canal iônico das células bastonetes do olho (mostradas em azul) enquanto interagiam com a proteína calodulina (roxo). Essa interação é importante não apenas para a função dos canais iônicos no olho, mas também para a função dos canais iônicos em outras partes do corpo, como o coração. Crédito: Instituto Paul Scherrer/Dina Schuster
Novas descobertas empolgantes lançam luz sobre a interação entre a proteína calodulina e um canal iônico no olho, o que pode revelar o segredo por trás da sensibilidade excepcional de nossos olhos a condições de pouca luz.
Usando microscopia eletrônica criogênica e espectrometria de massa, uma equipe de pesquisadores da PSI conseguiu revelar a estrutura do canal iônico no olho onde ele interage com a proteína calodulina – um mistério que intriga os cientistas há 30 anos. Essa reação poderia explicar como nossos olhos podem atingir uma sensibilidade tão notável à luz fraca. Os resultados foram publicados na revista PNAS.
Quando você olha para a tela brilhante do seu telefone ou computador, os canais iônicos em seus olhos reagem à luz fechando-os. Esta ação representa o ponto culminante de uma reação química em cadeia iniciada pela exposição à luz. Como resultado, os íons de cálcio não conseguem mais atravessar os canais da membrana celular, o que leva à conversão do sinal bioquímico em sinal elétrico. Esse sinal viaja pelo sistema nervoso, chegando ao cérebro para processamento.
O mesmo processo acontece quando você fica do lado de fora à noite e olha para o céu. Agora, os bastonetes fazem o truque. Essas são as células que tornam nossos olhos sensíveis a baixos níveis de luz, permitindo-nos olhar para o céu noturno e detectar alguns fótons de luz de uma estrela distante. Tomamos isso como certo, mas é um feito incrível.
Agora, uma equipe liderada pelo cientista da PSI, Jacopo Marino, melhorou nossa compreensão de como uma pequena proteína chamada calmodulina ajuda a fazer isso, interagindo com canais iônicos em bastonetes. A calmodulina é um sensor de cálcio. Ele permite que a célula responda às flutuações do cálcio – um dos métodos de comunicação universal da célula. A equipe, uma colaboração entre grupos da PSI, ETH Zurich e da Universidade de Bonn, elucidou a estrutura tridimensional de um canal iônico de nucleotídeo cíclico (CNG) que se liga à calmodulina.
Uma função importante da calmodulina no olho
Há um ano, pesquisadores conseguiram decifrar a estrutura desse mesmo canal iônico, encontrado nos bastonetes da retina da vaca e idêntico ao canal iônico encontrado nos bastonetes de nossos olhos. Rod CNG consiste em quatro subunidades, uma estrutura comum a muitos outros canais iônicos. No entanto, a peculiaridade do canal é que três subunidades – conhecidas como subunidade A – são idênticas, enquanto a quarta – subunidade B – é diferente.
Os cientistas sabem há muito tempo que esta subunidade se liga à calmodulina. Em todo o reino animal, essa característica é encontrada. No entanto, a natureza exata de seu papel permaneceu incerta. “Se algo foi preservado através da evolução, isso é uma indicação muito forte de que é importante de alguma forma”, explica Marino. “Sabíamos que a calmodulina modula a atividade do canal através da subunidade B, mas que tipo de mudanças estruturais estavam ocorrendo foi um grande mistério por cerca de trinta anos, principalmente porque as pessoas não conseguiam resolver a estrutura do canal iônico.”
Agora, os pesquisadores podem fornecer uma visão 3D do que realmente está acontecendo. Por meio de uma combinação de microscopia crioeletrônica e espectrometria de massa, eles puderam observar que, quando a calmodulina se liga, o canal iônico fica um pouco mais apertado.
Os pesquisadores acreditam que esta é a maneira natural de fechar os canais. Qual seria o propósito disso? “Achamos que é uma forma de reduzir as aberturas de dutos espontâneos que podem causar ruídos de fundo para que nossos olhos fiquem sensíveis à pouca luz”, diz Marino.
A espectrometria de massa ajuda os pesquisadores a resolver a estrutura em zigue-zague
A obtenção da estrutura da calmodulina e a ligação do canal iônico não foram fáceis. A interação entre a calmodulina e o Rod CNG ocorre em uma região altamente elástica do duto, onde é livre para oscilar. Na microscopia crioeletrônica, isso torna muito difícil obter informações estruturais de alta resolução. Aqui, Marino oferece uma analogia: “Imagine que você tem uma sala com pessoas dançando. Você tira uma foto e quer inferir a partir dela a forma de um corpo humano. Você pode ser capaz de dizer como é uma cabeça, mas com membros acenando para todo lado, pernas e braços ficarão borrados.”
Graças a um encontro casual, a equipe conseguiu identificar essa estrutura irregular. doutorado A aluna Dina Schuster ouviu uma apresentação de Marino. “Estávamos nos preparando para publicar com base apenas em dados de microscopia crioeletrônica, o que deixou grande parte da reação ambígua, quando Dina se aproximou de mim e disse ‘acho que posso te ajudar'”, lembra ele.
Schuster está desenvolvendo novas estratégias baseadas em espectrometria de massa para estudar interações de proteínas. Essas técnicas usam enzimas para cortar as proteínas em pedaços, seja em condições nativas dentro de partes da membrana da retina ou mediante reticulação química. Os fragmentos de proteína, que estão ligados entre si, são identificados por espectrometria de massa. Isso revelou informações sobre quais partes da proteína estavam juntas no espaço tridimensional – o equivalente a montar um quebra-cabeça tridimensional. “Essas técnicas nos permitiram reduzir algumas possibilidades que, de outra forma, seriam obscuras com a microscopia crioeletrônica”, explica Schuster, que é o primeiro autor conjunto da publicação com a estudante de doutorado Diane Barrett.
Do milagre da visão às implicações para a saúde humana
A calmodulina regula os canais iônicos não apenas nos olhos, mas em todo o corpo, controlando os sinais elétricos essenciais para o bom funcionamento de vários músculos e órgãos. Nos últimos anos, ficou claro que quando essa reação dá errado devido a mutações no gene da calodulina, pode haver efeitos graves para a saúde, como insuficiência cardíaca: algo que ainda não é totalmente compreendido.
Além de nos ajudar a entender uma das maravilhas fundamentais – como podemos ver as estrelas – os resultados deste estudo e os métodos utilizados podem ajudar a entender a interação da calmodulina com canais iônicos em outras partes do corpo.
Referência: “Base estrutural da modificação de codolina do canal de nucleotídeos cíclicos da haste” Por Diane C.A. Barrett, Dina Schuster, Matthew J. Rodrigues, Alexander Leitner, Paola Picotti, Gibbard FX Schertler, U. Benjamin Cobb, Volodymyr M. Korkov e Jacobo Marino, 3 de abril de 2023, disponível aqui. Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2300309120