Estruturas do TMC

Nature volume 610, páginas 796–803 (2022)Cite este artigo

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O passo inicial na via de transdução sensorial que sustenta a audição e o equilíbrio em mamíferos envolve a conversão de força no disparo de um canal de transdução mecanossensorial1. Apesar dos profundos impactos socioeconômicos dos distúrbios auditivos e do significado biológico fundamental da compreensão da transdução mecanossensorial, a composição, estrutura e mecanismo do complexo de transdução mecanossensorial permaneceram pouco caracterizados. Aqui relatamos a estrutura de microscopia crioeletrônica de partícula única do complexo de transdução mecanossensorial de proteína 1 semelhante a canal transmembranar nativo (TMC-1) isolado de Caenorhabditis elegans. O complexo simétrico duplo é composto por duas cópias de cada uma da subunidade TMC-1 formadora de poros, da proteína de ligação ao cálcio CALM-1 e da proteína transmembrana do ouvido interno TMIE. CALM-1 faz extensos contatos com a face citoplasmática das subunidades TMC-1, enquanto as subunidades TMIE de passagem única residem na periferia do complexo, posicionadas como as alças de um acordeão. Um subconjunto de complexos inclui adicionalmente uma única proteína semelhante à arrestina, proteína do domínio da arrestina (ARRD-6), ligada a uma subunidade CALM-1. Reconstruções de partículas únicas e simulações de dinâmica molecular mostram como o complexo de transdução mecanossensorial deforma a bicamada da membrana e sugerem papéis cruciais para as interações lipídico-proteínas no mecanismo pelo qual a força mecânica é transduzida para o canal iônico.

O sistema auditivo tem uma capacidade notável de detectar uma ampla gama de frequências e amplitudes de ondas acústicas, transduzindo energia mecânica vibracional em despolarização do potencial de membrana seguida de processamento de sinal em centros cerebrais superiores, possibilitando assim a sensação de som1. A disfunção do sistema auditivo devido a lesão, insulto ambiental ou mutação genética está associada à perda auditiva relacionada à idade. A deficiência auditiva e a surdez afetam mais de 460 milhões de indivíduos em todo o mundo, com um custo anual estimado da perda auditiva não tratada de 750 a 790 mil milhões de dólares. A entrada no sistema auditivo e no sistema vestibular intimamente relacionado, assim como em outros sistemas sensoriais, é iniciada pela ativação de receptores em neurônios periféricos. Apesar da intensa investigação ao longo de várias décadas, a composição molecular, a estrutura e o mecanismo do complexo de transdução mecanossensorial (MT), o receptor para a transdução mecanossensorial, permaneceram sem solução.

Múltiplas linhas de investigação, desde estudos em humanos e organismos modelo, incluindo ratos, peixe-zebra e C. elegans, lançaram luz sobre as proteínas que formam o complexo MT e os seus prováveis ​​papéis na sua função2. Estas incluem as proteínas de ligação da ponta, protocaderina-15 e caderina-23, que nas células ciliadas transduzem a força derivada do deslocamento dos estereocílios para a abertura do componente do canal iônico do complexo MT . TMC-1 e TMC-2 são as prováveis ​​subunidades formadoras de poros do complexo MT, candidatas que primeiro ganharam destaque em estudos genéticos humanos5, e ganharam força mais recentemente como via de condução iônica por meio de investigações biofísicas e bioquímicas6,7,8 . Proteínas adicionais, algumas das quais podem ser subunidades auxiliares, foram associadas à biogênese ou à função do complexo MT e incluem TMIE9,10,11, Ca2+ e proteína de ligação à integrina 212,13,14 (CIB2), lipoma HMGIC fusão- como proteína 515,16,17 (LHFPL5), O-metil transferase transmembrana18,19 (TOMT) e possivelmente anquirina13.

O isolamento do complexo MT a partir de fontes de vertebrados ou a produção de um complexo funcional através de métodos recombinantes revelaram-se até agora infrutíferos. A purificação de complexos a partir de fontes nativas é particularmente desafiadora devido ao pequeno número de complexos por animal, estimado em aproximadamente 3 × 106 por cóclea de mamífero, um número pequeno comparado com o número de fotorreceptores no sistema visual, que é aproximadamente 4 × 1014 por olho em mouse21. Para superar os desafios com a disponibilidade do complexo MT de vertebrados, recorremos ao C. elegans, um animal que utiliza um complexo MT para detectar estímulos táteis. Notamos primeiro que C. elegans expressa componentes cruciais do complexo MT de vertebrados, incluindo as proteínas TMC-1 e TMC-2, além de um homólogo de CIB2 conhecido como CALM-1, bem como TMIE13. Em segundo lugar, os vermes que não possuem TMC-1 exibem respostas atenuadas ao toque leve . Terceiro, apesar da expressão limitada das proteínas TMC em C. elegans, é viável cultivar um número suficiente de vermes para isolar complexos suficientes para estudos estruturais. Assim, modificamos o locus C. elegans tmc-1 incluindo um repórter fluorescente e uma etiqueta de afinidade, permitindo-nos monitorar a expressão através de fluorescência de animal inteiro e cromatografia de exclusão de tamanho de detecção de fluorescência (FSEC) e isolar o TMC Complexo -1 por cromatografia de afinidade. Juntamente com estudos computacionais, elucidamos a composição, arquitetura e interações de membrana do complexo, e sugerimos mecanismos para o controle do poro do canal iônico por meio de interações diretas de proteínas e através da bicamada de membrana.