Växtceller använder elektriska signaler för att bearbeta och överföra information. 1987, som postdoc hos Erwin Neher i Göttingen, upptäckte biofysikern Rainer Hedrich en jonkanal i växtcellens centralvakuol, som aktiveras av kalcium och elektrisk spänning, med hjälp av patch-clamp-tekniken (Nobelpriset till Neher och Sakmann). 1991).

Under 2019 identifierade Hedrichs team vid Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) denna TPC1-kanal som ett viktigt element för elektrisk kommunikation i anläggningar. Om kanalen misslyckas saktas signalöverföringen ner. Om den är hyperaktiv, d.v.s. öppen för länge, är växten mycket stressad och har problem att växa.

Dessa reaktioner gör det tydligt:​​växter måste strikt kontrollera öppningstiden för jonkanalen TPC1 så att den elektriska kommunikationen mellan deras celler löper smidigt.

Strukturen förklarar hur kanalen är påslagen

En publikation i tidskriften PNAS ger nu nya insikter om den molekylära funktionen och regleringen av TPC1-kanalen. Detta uppnåddes genom att kombinera två expertområden:ett JMU-team ledd av Rainer Hedrich och Irene Marten ansvarade för växtbiofysik, och en grupp ledd av Robert M. Stroud och Sasha Dickinson från University of California i San Francisco ansvarade för strukturella biologi.

Med hjälp av högupplöst kryoelektronmikroskopisk avbildning visar det amerikanska teamet tydligt att massiva konformationsförändringar inträffar i flera proteindomäner innan kanalen öppnas. En elektrisk stimulans initierar en roterande rörelse av spänningssensordomänen. Detta spärrar bort aminosyrarester som fungerar som bindningsställen för hämmande kalciumjoner i den vakuolära ingångsregionen av kanalen – vilket gör vägen för jonflöde.

Det vakuolära kalciuminnehållet håller spänningssensorn i schack

Hedrich och Martens team kunde visa att TPC1-kanalen slås på när kalciumnivån i cellplasman stiger som svar på yttre stimuli. En ökning av kalciumnivån i vakuolen bromsar å andra sidan ett överdrivet jonflöde genom kanalen och gör så gott som det vakuolära membranet okänsligt för kalciumberoende elektriska stimuli.

Det nyupptäckta bindningsstället för vakuolära kalciumjoner i den jonledande poren i kanalen spelar en avgörande roll i denna process.

"Vi kunde belysa funktionen av denna kanaldomän med patchclamp-mätningar", säger JMU-professorn Irene Marten. "När kalcium binder till det vakuolära porbindningsstället uppstår negativ återkoppling med spänningssensorn, vilket innebär att rörelsen av spänningssensorns domän försämras kraftigt. Som ett resultat förblir kanalen stängd och det finns ingen elektrisk excitation av vakuol. Om å andra sidan de porära aminosyraresterna avlägsnas från jontransportvägen sker ingen vakuolär kalciumbindning och kanalöppningen underlättas starkt."

Fråga om utvecklingen av TPC1-kanaler

Publiceringen i PNAS bidrar ytterligare till att växtjonkanalen TPC1 nu är en av de bäst förstådda spänningsberoende jonkanalerna. Denna kunskap kan hjälpa till att bättre förstå TPC1-beroende processer även i djurceller.

Vad kommer forskarna att göra härnäst? – Vi undersöker frågan om TPC1-kanalerna för olika växtarter skiljer sig åt i fråga om reglering och även i andra egenskaper, och om detta öppnar för nya möjligheter för anpassning till miljön, säger Rainer Hedrich. "När vi gör det tar vi också hänsyn till regulatorer som spelar en roll i djurens TPC1-kanaler. Studierna bör också ge oss en inblick i utvecklingen av TPC1-kanaler."