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Strutture del TMC

Apr 14, 2024

Natura volume 610, pagine 796–803 (2022)Citare questo articolo

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Il passo iniziale nel percorso di trasduzione sensoriale alla base dell'udito e dell'equilibrio nei mammiferi prevede la conversione della forza nel cancello di un canale di trasduzione meccanosensoriale1. Nonostante il profondo impatto socioeconomico dei disturbi dell’udito e il significato biologico fondamentale della comprensione della trasduzione meccanosensoriale, la composizione, la struttura e il meccanismo del complesso di trasduzione meccanosensoriale sono rimasti scarsamente caratterizzati. Qui riportiamo la struttura al microscopio crioelettronico a singola particella del complesso di trasduzione meccanosensoriale nativa della proteina transmembrana simile a un canale 1 (TMC-1) isolato da Caenorhabditis elegans. Il duplice complesso simmetrico è composto da due copie ciascuna della subunità TMC-1 che forma i pori, della proteina legante il calcio CALM-1 e della proteina transmembrana dell'orecchio interno TMIE. CALM-1 stabilisce ampi contatti con la faccia citoplasmatica delle subunità TMC-1, mentre le subunità TMIE a passaggio singolo risiedono alla periferia del complesso, in bilico come le maniglie di una fisarmonica. Un sottoinsieme di complessi include inoltre una singola proteina simile all'arrestina, la proteina del dominio dell'arrestina (ARRD-6), legata a una subunità CALM-1. Ricostruzioni di singole particelle e simulazioni di dinamica molecolare mostrano come il complesso di trasduzione meccanosensoriale deforma il doppio strato di membrana e suggeriscono ruoli cruciali per le interazioni lipide-proteine ​​nel meccanismo mediante il quale la forza meccanica viene trasdotta nel gating del canale ionico.

Il sistema uditivo ha una notevole capacità di rilevare un'ampia gamma di frequenze e ampiezze delle onde acustiche trasducendo l'energia meccanica vibrazionale nella depolarizzazione del potenziale di membrana seguita dall'elaborazione del segnale nei centri cerebrali superiori, consentendo così la sensazione del suono1. La disfunzione del sistema uditivo dovuta a lesioni, insulti ambientali o mutazioni genetiche è associata alla perdita dell'udito correlata all'età. I problemi di udito e la sordità colpiscono più di 460 milioni di persone in tutto il mondo, con un costo annuale stimato di perdita dell’udito non affrontata pari a 750-790 miliardi di dollari. L'input al sistema uditivo e al sistema vestibolare strettamente correlato, come per altri sistemi sensoriali, viene avviato dall'attivazione dei recettori sui neuroni periferici. Nonostante un'intensa indagine durata diversi decenni, la composizione molecolare, la struttura e il meccanismo del complesso di trasduzione meccanosensoriale (MT), il recettore per la trasduzione meccanosensoriale, sono rimasti irrisolti.

Molteplici linee di indagine, provenienti da studi sugli esseri umani e su organismi modello tra cui topi, pesci zebra e C. elegans, hanno fatto luce sulle proteine ​​che formano il complesso MT e sui loro probabili ruoli nella sua funzione2. Questi includono le proteine ​​​​del collegamento di punta, protocaderina-15 e caderina-23, che nelle cellule ciliate trasducono la forza derivata dallo spostamento delle stereocilia all'apertura del componente del canale ionico del complesso MT3,4. TMC-1 e TMC-2 sono le probabili subunità che formano pori del complesso MT, candidati che per primi sono venuti alla ribalta negli studi genetici umani5 e hanno guadagnato terreno più recentemente come via di conduzione ionica attraverso indagini biofisiche e biochimiche6,7,8 . Ulteriori proteine, alcune delle quali possono essere subunità ausiliarie, sono state associate alla biogenesi o alla funzione del complesso MT e includono TMIE9,10,11, Ca2+ e la proteina legante l'integrina 212,13,14 (CIB2), lipoma HMGIC fusion- come la proteina 515,16,17 (LHFPL5), la O-metil transferasi transmembrana18,19 (TOMT) e possibilmente l'anchirina13.

L'isolamento del complesso MT da fonti vertebrati o la produzione di un complesso funzionale tramite metodi ricombinanti si sono finora rivelati infruttuosi. La purificazione complessa da fonti native è particolarmente impegnativa a causa del numero limitato di complessi per animale, stimato a circa 3 × 106 per coclea di mammifero20, un numero piccolo rispetto al numero di fotorecettori nel sistema visivo, che è circa 4 × 1014 per occhio nel mouse21. Per superare le sfide legate alla disponibilità del complesso MT dei vertebrati, ci siamo rivolti a C. elegans, un animale che utilizza un complesso MT per rilevare gli stimoli tattili. Notiamo innanzitutto che C. elegans esprime componenti cruciali del complesso MT dei vertebrati, comprese le proteine ​​TMC-1 e TMC-2, oltre a un omologo CIB2 noto come CALM-1, nonché TMIE13. In secondo luogo, i vermi che non presentano TMC-1 mostrano risposte attenuate al tocco leggero13. In terzo luogo, nonostante l'espressione limitata delle proteine ​​TMC in C. elegans, è possibile coltivare un numero sufficiente di vermi per isolare complessi sufficienti per studi strutturali. Abbiamo quindi modificato il locus tmc-1 di C. elegans includendo un reporter fluorescente e un tag di affinità, permettendoci così di monitorare l'espressione tramite fluorescenza su animale intero e cromatografia ad esclusione dimensionale con rilevamento di fluorescenza (FSEC)22 e di isolare il TMC -1 complesso mediante cromatografia di affinità. Insieme agli studi computazionali, abbiamo chiarito la composizione, l'architettura e le interazioni di membrana del complesso e suggerito meccanismi per il controllo del poro del canale ionico sia tramite interazioni proteiche dirette che tramite il doppio strato di membrana.

3.0.CO;2-F" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F%28SICI%291097-0134%28199604%2924%3A4%3C433%3A%3AAID-PROT3%3E3.0.CO%3B2-F" aria-label="Article reference 71" data-doi="10.1002/(SICI)1097-0134(199604)24:43.0.CO;2-F"Article CAS PubMed Google Scholar /p>

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