Plantencellen gebruiken elektrische signalen om informatie te verwerken en door te geven. In 1987 ontdekte biofysicus Rainer Hedrich als postdoc van Erwin Neher in Göttingen een ionkanaal in de centrale vacuole van de plantencel, dat wordt geactiveerd door calcium en elektrische spanning, met behulp van de patch-clamp-techniek (Nobelprijs voor Neher en Sakmann). 1991).

In 2019 identificeerde het team van Hedrich aan de Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) dit TPC1-kanaal als een belangrijk element voor elektrische communicatie in fabrieken. Als het kanaal uitvalt, wordt de signaaloverdracht vertraagd. Als hij hyperactief is, d.w.z. te lang open staat, is de plant erg gestrest en heeft hij problemen met groeien.

Deze reacties maken het duidelijk:planten moeten de openingstijd van het ionenkanaal TPC1 strikt controleren, zodat de elektrische communicatie tussen hun cellen soepel verloopt.

De structuur legt uit hoe het kanaal is ingeschakeld

Een publicatie in het tijdschrift PNAS biedt nu nieuwe inzichten in de moleculaire functie en regulatie van het TPC1-kanaal. Dit werd bereikt door twee expertisegebieden te combineren:een JMU-team onder leiding van Rainer Hedrich en Irene Marten was verantwoordelijk voor de biofysica van planten, en een groep onder leiding van Robert M. Stroud en Sasha Dickinson van de Universiteit van Californië in San Francisco was verantwoordelijk voor de structurele biologie.

Met behulp van cryo-elektronenmicroscopische beeldvorming met hoge resolutie laat het Amerikaanse team duidelijk zien dat er enorme conformatieveranderingen optreden in verschillende eiwitdomeinen voordat het kanaal wordt geopend. Een elektrische stimulus initieert een roterende beweging van het domein van de spanningssensor. Dit flapt aminozuurresten weg die dienen als bindingsplaatsen voor remmende calciumionen in het vacuolaire ingangsgebied van het kanaal, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor ionenstroom.

Het vacuolaire calciumgehalte houdt de spanningssensor onder controle

Het team van Hedrich en Marten kon aantonen dat het TPC1-kanaal wordt ingeschakeld wanneer het calciumgehalte in het celplasma stijgt als reactie op externe prikkels. Een verhoging van het calciumgehalte in de vacuole vertraagt ​​daarentegen een overmatige ionenstroom door het kanaal en maakt het vacuolaire membraan vrijwel ongevoelig voor calciumafhankelijke elektrische prikkels.

De nieuw ontdekte bindingsplaats voor vacuolaire calciumionen in de ionengeleidende porie van het kanaal speelt een cruciale rol in dit proces.

"We hebben de functie van dit kanaaldomein kunnen verhelderen met patchklemmetingen", zegt JMU-hoogleraar Irene Marten. "Wanneer calcium zich bindt aan de vacuolaire poriebindingsplaats, treedt er negatieve feedback op met de spanningssensor, wat betekent dat de beweging van het spanningssensordomein sterk wordt belemmerd. Hierdoor blijft het kanaal gesloten en is er geen elektrische excitatie van de vacuole. Als aan de andere kant de aminozuurresiduen in de poriën worden verwijderd uit de ionentransportroute, vindt er geen vacuolaire calciumbinding plaats en wordt de kanaalopening sterk vergemakkelijkt."

Vraag over de evolutie van TPC1-kanalen

De publicatie in PNAS draagt ​​er verder toe bij dat het planten-ionenkanaal TPC1 nu een van de best begrepen spanningsafhankelijke ionenkanalen is. Deze kennis kan ook helpen om TPC1-afhankelijke processen in dierlijke cellen beter te begrijpen.

Wat gaan de wetenschappers nu doen? "We onderzoeken de vraag of de TPC1-kanalen van verschillende plantensoorten verschillen in regulering en ook in andere eigenschappen, en of dit nieuwe mogelijkheden biedt voor aanpassing aan de omgeving", zegt Rainer Hedrich. "Daarbij houden we ook rekening met regulatoren die een rol spelen in dierlijke TPC1-kanalen. De studies moeten ons ook inzicht geven in de evolutie van TPC1-kanalen."