Hvad gør planter elektrisk excitable

Planteceller bruger elektriske signaler til at behandle og transmittere information. I 1987, som postdoc hos Erwin Neher i Göttingen, opdagede biofysiker Rainer Hedrich en ionkanal i plantecellens centrale vakuole, som aktiveres af calcium og elektrisk spænding ved hjælp af patch-clamp-teknikken (Nobelprisen til Neher og Sakmann). 1991).

I 2019 identificerede Hedrichs team ved Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) denne TPC1-kanal som et vigtigt element for elektrisk kommunikation i anlæg. Hvis kanalen svigter, bremses signaltransmissionen. Hvis den er hyperaktiv, dvs. åben for længe, ​​er planten meget stresset og har problemer med at vokse.

Disse reaktioner gør det klart:Planter skal nøje kontrollere åbningstiden for ionkanalen TPC1, så den elektriske kommunikation mellem deres celler forløber glat.

Strukturen forklarer, hvordan kanalen er tændt

En publikation i tidsskriftet PNAS giver nu ny indsigt i den molekylære funktion og regulering af TPC1-kanalen. Dette blev opnået ved at kombinere to ekspertiseområder:Et JMU-team ledet af Rainer Hedrich og Irene Marten var ansvarlige for plantebiofysik, og en gruppe ledet af Robert M. Stroud og Sasha Dickinson fra University of California i San Francisco var ansvarlig for strukturelle biologi.

Ved hjælp af højopløsnings kryo-elektronmikroskopisk billeddannelse demonstrerer det amerikanske hold klart, at massive konformationelle ændringer forekommer i flere proteindomæner, før kanalen åbner. En elektrisk stimulus initierer en roterende bevægelse af spændingssensordomænet. Dette fjerner aminosyrerester, der tjener som bindingssteder for hæmmende calciumioner i det vakuolære indgangsområde i kanalen – hvilket gør vejen fri for ionstrøm.

Det vakuolære calciumindhold holder spændingssensoren i skak

Hedrich og Martens team var i stand til at vise, at TPC1-kanalen er tændt, når calciumniveauet i celleplasmaet stiger som reaktion på eksterne stimuli. En stigning i calciumniveauet i vakuolen bremser på den anden side en overdreven ionflux gennem kanalen og gør praktisk talt den vakuolære membran ufølsom over for calciumafhængige elektriske stimuli.

Det nyopdagede bindingssted for vakuolære calciumioner i den ionledende pore i kanalen spiller en afgørende rolle i denne proces.

"Vi var i stand til at belyse funktionen af ​​dette kanaldomæne med patch clamp-målinger," siger JMU-professor Irene Marten. "Når calcium binder sig til det vakuolære porebindingssted, opstår der negativ feedback med spændingssensoren, hvilket betyder, at bevægelsen af ​​spændingssensordomænet er stærkt forringet. Som følge heraf forbliver kanalen lukket, og der er ingen elektrisk excitation af vakuole. Hvis poreaminosyreresterne på den anden side fjernes fra iontransportvejen, sker der ingen vakuolær calciumbinding, og kanalåbningen lettes stærkt."

Spørgsmål om udviklingen af ​​TPC1-kanaler

Udgivelsen i PNAS bidrager yderligere til, at plante-ionkanalen TPC1 nu er en af ​​de bedst forståede spændingsafhængige ionkanaler. Denne viden kan også hjælpe til bedre at forstå TPC1-afhængige processer i dyreceller.

Hvad vil forskerne gøre nu? "Vi undersøger spørgsmålet om, hvorvidt TPC1-kanalerne fra forskellige plantearter adskiller sig med hensyn til regulering og også i andre egenskaber, og om det åbner op for nye muligheder for tilpasning til miljøet," siger Rainer Hedrich. "Derved tager vi også hensyn til regulatorer, der spiller en rolle i dyre-TPC1-kanaler. Undersøgelserne skulle også give os et indblik i udviklingen af ​​TPC1-kanaler."