Автор исследования Фумио Хаяши (Fumio Hayashi) из Университета Кобе (Kobe University) с соавторами обнаружили, что белок фоторецептора родопсина образует преходящие кластеры в мембранах диска сетчатки. Эти кластеры сосредоточены в центре мембран диска и действуют как платформы в процессе преобразования света в химический сигнал. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Communications Biology.
Актуальность проблемы
Фоторецепторные клетки в наших глазах могут адаптироваться как к слабому, так и к сильному уровню освещенности, но мы до сих пор точно не знаем, как происходит этот процесс. Внутри стержневидных фоторецепторных клеток в сетчатке глаза около 1000 слоев мембран в форме дисков диаметром в несколько микрометров. Это липидные двухслойные мембраны с высокими концентрациями белка фоторецептора родопсина. Родопсин является прототипом G-белок-связанного рецептора (GPCR), который отвечает за сбор различной информации о внешней среде.
Материалы и методы обследования
В этом исследовании ученые использовали новейшие технологии и методы анализа для изучения динамики отдельных молекул родопсина и G-белка, трансдуцина, а также молекул липидов в мембранах диска.
Отслеживание одной молекулы родопсина
Родопсин чувствителен к свету, поэтому вместо стандартного флуоресцентного красителя в видимом свете ученые использовали ближний инфракрасный краситель для отслеживания одной молекулы.
Ученые собрали 500 отдельных «следов», созданных движениями родопсина, и получили модель с тремя состояниями, используя технологию машинного обучения логического вывода Байеса.
Результаты научной работы
Ученые обнаружили, что родопсин движется довольно свободно в мембранах диска, и предположили, что если родопсин образует временные кластеры, молекула будет двигаться от момента к моменту с разными скоростями. Ученые обнаружили, что родопсин переходит между тремя диффузионными состояниями.
Кластеры, которые формируются и исчезают
Когда исследователи увеличили флуоресцентную маркировку родопсина, они смогли наблюдать повторное образование и исчезновение кластеров родопсина. Такие свойства, как скорость диффузии и срок службы кластеров, соответствуют самой медленной диффузии, наблюдаемой при отслеживании одной молекулы. Ученые также обнаружили, что распределение родопсина в мембранах диска не является равномерным, как считалось ранее: они тонко распределены по краям и сконцентрированы в центре, где они легко образуют кластеры.
Неравенство между центром и периферией
Плотообразующая природа молекул родопсина, когда они приближаются друг к другу, позволяет предположить, что кластеры родопсина сходны с плотами. Распределение родопсина в мембранах диска взвешено по направлению к центру, что указывает на то, что рафтофильные белки и молекулы липидов собираются в центре мембраны диска, тогда как рафтофобные молекулы имеют тенденцию собираться по краям. Ученые подтвердили это, показав, что типичный рафтофобный фосфолипид di-DHA-PE локализован на краях мембраны.
Выводы
Результаты исследования показывают, что родопсин образует рафтофильные кластеры, обеспечивая временную основу для активации передачи сигнала G-белка, и кластеры родопсина отбрасываются с периферии мембран и накапливаются в центре. Эти открытия позволяют предположить, что как временная неоднородность, так и структурная неоднородность, регулируемая окружающим каркасом, играют неожиданно важную роль не только в этом случае, но и в различных других клеточных мембранах. Это обеспечивает жизненно важную часть базовых знаний. Развитие фундаментальных исследований имеет важное значение для понимания сложного морфогенеза и поддержания фоторецепторов, а также патологических состояний, таких как нарушения пигментной сетчатки. В этом исследовании ученые сосредоточилась на молекулах, связанных с процессом активации преобразования светового сигнала, но процесс дезактивации также является неизвестной областью.
Авторы другого исследования утверждают, что селективные нейронные связи сетчатки глаза могут быть восстановлены.
