Структуры ТМК

Nature, том 610, страницы 796–803 (2022 г.) Процитировать эту статью

31 тыс. доступов

18 цитат

263 Альтметрика

Подробности о метриках

Начальный этап пути сенсорной трансдукции, лежащего в основе слуха и равновесия у млекопитающих, включает преобразование силы в открытие канала механосенсорной трансдукции1. Несмотря на глубокие социально-экономические последствия нарушений слуха и фундаментальную биологическую значимость понимания механосенсорной трансдукции, состав, структура и механизм комплекса механосенсорной трансдукции остаются плохо изученными. Здесь мы сообщаем об одночастичной криоэлектронной микроскопической структуре нативного трансмембранного каналоподобного белка 1 (TMC-1), комплекса механосенсорной трансдукции, выделенного из Caenorhabditis elegans. Двойной симметричный комплекс состоит из двух копий порообразующей субъединицы TMC-1, кальций-связывающего белка CALM-1 и трансмембранного белка внутреннего уха TMIE. CALM-1 осуществляет обширные контакты с цитоплазматической поверхностью субъединиц TMC-1, тогда как однопроходные субъединицы TMIE располагаются на периферии комплекса, балансируя, как ручки аккордеона. Подмножество комплексов дополнительно включает один аррестиноподобный белок, белок домена аррестина (ARRD-6), связанный с субъединицей CALM-1. Одночастичные реконструкции и молекулярно-динамическое моделирование показывают, как комплекс механосенсорной трансдукции деформирует бислой мембраны, и предполагают решающую роль липид-белковых взаимодействий в механизме, с помощью которого механическая сила преобразуется в ворота ионных каналов.

Слуховая система обладает замечательной способностью обнаруживать широкий диапазон частот и амплитуд акустических волн путем преобразования механической энергии колебаний в деполяризацию мембранного потенциала с последующей обработкой сигналов в высших центрах мозга, что позволяет ощущать звук1. Дисфункция слуховой системы в результате травмы, воздействия окружающей среды или генетической мутации связана с возрастной потерей слуха. Нарушение слуха и глухота затрагивают более 460 миллионов человек во всем мире, при этом ежегодная стоимость нерешенной потери слуха оценивается в 750–790 миллиардов долларов США. Вход в слуховую и тесно связанную с ней вестибулярную систему, как и в другие сенсорные системы, инициируется активацией рецепторов на периферических нейронах. Несмотря на интенсивные исследования на протяжении нескольких десятилетий, молекулярный состав, структура и механизм комплекса механосенсорной трансдукции (МТ), рецептора механосенсорной трансдукции, остаются невыясненными.

Многочисленные исследования, начиная с исследований на людях и модельных организмах, включая мышей, рыбок данио и C. elegans, пролили свет на белки, образующие комплекс МТ, и их возможную роль в его функции2. К ним относятся белки кончиковых связей, протокадгерин-15 и кадгерин-23, которые в волосковых клетках преобразуют силу, возникающую в результате смещения стереоцилий, в открытие компонента ионного канала комплекса МТ3,4. TMC-1 и TMC-2 являются вероятными порообразующими субъединицами комплекса МТ, кандидатами, которые впервые получили известность в генетических исследованиях человека5, а совсем недавно получили распространение как путь ионной проводимости благодаря биофизическим и биохимическим исследованиям6,7,8 . Дополнительные белки, некоторые из которых могут быть вспомогательными субъединицами, связаны либо с биогенезом, либо с функцией комплекса MT и включают TMIE9,10,11, Ca2+ и интегрин-связывающий белок 212,13,14 (CIB2), липому HMGIC fusion- такие как белок 515,16,17 (LHFPL5), трансмембранная O-метилтрансфераза18,19 (TOMT) и, возможно, анкирин13.

Выделение комплекса МТ из источников позвоночных или получение функционального комплекса рекомбинантными методами пока оказались безуспешными. Комплексная очистка из природных источников особенно сложна из-за небольшого количества комплексов на животное, которое оценивается примерно в 3 × 106 на улитку млекопитающих20, что является небольшим количеством по сравнению с количеством фоторецепторов в зрительной системе, которое составляет примерно 4 × 1014 на глаз. в мыши21. Чтобы преодолеть проблемы с доступностью комплекса МТ у позвоночных, мы обратились к C. elegans, животному, которое использует комплекс МТ для восприятия тактильных стимулов. Прежде всего отметим, что C. elegans экспрессирует важнейшие компоненты комплекса МТ позвоночных, включая белки TMC-1 и TMC-2, в дополнение к гомологу CIB2, известному как CALM-1, а также TMIE13. Во-вторых, черви, не имеющие TMC-1, демонстрируют ослабленную реакцию на легкое прикосновение13. В-третьих, несмотря на ограниченную экспрессию белков ТМС в C. elegans, возможно вырастить достаточное количество червей, чтобы выделить достаточно комплекса для структурных исследований. Таким образом, мы модифицировали локус tmc-1 C. elegans, включив флуоресцентный репортер и аффинную метку, что позволило нам контролировать экспрессию с помощью флуоресценции всего животного и эксклюзионной хроматографии с флуоресцентным обнаружением (FSEC)22, а также изолировать TMC. Комплекс -1 методом аффинной хроматографии. Совместно с компьютерными исследованиями мы выяснили состав, архитектуру и мембранные взаимодействия комплекса, а также предложили механизмы открытия пор ионного канала как посредством прямых взаимодействий с белками, так и через мембранный бислой.