Descubren una proteína en los bastones de la retina que ayuda a ver con poca luz

Los trabajos de los científicos del Paul Scherrer Institute (PSI) han permitido descubrir un importante componente del ojo: una proteína de los bastones de la retina que nos ayuda a ver con poca luz. Esta proteína, que actúa como un canal iónico en la membrana celular, se encarga de transmitir la señal óptica del ojo al cerebro. Si un trastorno genético interrumpe la función molecular en una persona, ésta se quedará ciega. Los científicos han descifrado la estructura tridimensional de la proteína, preparando el camino para tratamientos médicos innovadores. El estudio se publica en la revista científica Nature Structural & Molecular Biology.

«Gracias a los fotorreceptores tipo bastón de nuestro ojo podemos observar las estrellas en el cielo nocturno», explica Jacopo Marino, biólogo del Laboratorio de Investigación Biomolecular del Paul Scherrer Institute (PSI). «Estos fotorreceptores son tan sensibles a la luz que pueden detectar incluso un solo fotón que nos llegue desde una parte muy remota del universo, una hazaña realmente increíble». La capacidad de nuestro cerebro para traducir finalmente estos haces de luz en una impresión visual se debe en parte a los canales iónicos cerrados por nucleótidos cíclicos (CNG), cuya estructura tridimensional ha sido explicada ahora por un grupo de investigación del PSI dirigido por Jacopo Marino.

El canal iónico actúa como un guardián que controla el paso de determinadas partículas al interior de la célula receptora. Está incrustado en la cubierta rica en proteínas -la membrana celular- de las células tipo bastón. En la oscuridad, el canal iónico, y por tanto la puerta de la célula, está completamente abierta. Pero cuando la luz incide en el ojo, desencadena una cascada de procesos en los bastones. Esto hace que la puerta se cierre, con el resultado de que las partículas cargadas positivamente, como los iones de calcio, ya no pueden entrar en la célula.

Esta señal electroquímica continúa a través de las células neuronales hasta la corteza visual del cerebro, donde se crea una impresión visual -como un destello de luz-. «La idea de resolver la estructura de este canal se remonta a hace casi 20 años, cuando Gebhard Schertler y Benjamin Kaupp ya colaboraron en este tema», dice Jacopo Marino. Ambos son coautores del nuevo estudio.

La tenacidad dio sus frutos

La estudiante de doctorado, Diane Barret, tuvo que extraer primero la proteína del canal de los ojos de las vacas suministradas por un matadero, un proceso complicado y arduo. «Fue una tarea muy difícil, ya que la proteína es extremadamente sensible y se descompone muy rápidamente. Además, sólo está disponible en cantidades mínimas en el material de origen», explica Barret. Tardamos dos años en obtener suficiente proteína para trabajar. «Los dos éramos demasiado testarudos para rendirnos sin más», dice Jacopo Marino, riendo. «Pero al final esa perseverancia dio sus frutos».

A continuación, los científicos utilizaron la criomicroscopía electrónica para revelar la estructura tridimensional del canal iónico. «A diferencia de estudios anteriores sobre la estructura del canal iónico, investigamos la proteína nativa tal y como se encuentra en el ojo. Por tanto, estamos mucho más cerca de las condiciones reales que existen en los seres vivos», afirma Diane Barret.

Una de las razones por las que es importante comprender mejor la estructura natural de la proteína del canal iónico es para avanzar en el desarrollo de tratamientos para trastornos genéticos para los que no se conoce cura, como la retinosis pigmentaria. En esta enfermedad, los fotorreceptores mueren gradualmente, dejando a las personas ciegas. Una de las posibles causas es que el organismo no puede producir correctamente la proteína del canal CNG debido a un defecto genético. En consecuencia, el canal iónico no se cierra completamente cuando la luz incide en el ojo, lo que altera el equilibrio electroquímico de la célula y provoca su muerte.

«Si pudiéramos encontrar moléculas que afectaran a la proteína de forma que el canal se cerrara por completo, podríamos evitar que las células murieran y, por tanto, que la gente se quedara ciega», explica Jacopo Marino. Ahora que los investigadores han identificado la estructura precisa de la proteína, pueden buscar específicamente esas moléculas.

Barrera adicional

La proteína consta de cuatro partes: tres lotes de la subunidad A y un lote de la subunidad B. Un canal iónico que funcione correctamente sólo es posible con esta combinación. En su estudio, los científicos del PSI demuestran por qué la subunidad B parece desempeñar un papel tan importante: un brazo lateral de la proteína -un solo aminoácido- sobresale del resto de la proteína, como si se tratara de una barrera a través de una puerta. Esto estrecha el paso en el canal hasta el punto de que no pueden pasar iones.

«Nadie lo esperaba: fue una sorpresa total», dice Diane Barret. Ya existen otros lugares estrechos en la subunidad A –como las pasarelas principales– que antes se creía que eran los únicos. Es interesante observar que la barrera adicional se encuentra no sólo en la proteína del ojo de la vaca, sino que parece aplicarse a todo tipo de animales, como demostraron los científicos. Ya sean cocodrilos, águilas o humanos, todos los seres vivos con un canal iónico en el ojo tienen el mismo aminoácido que sobresale en esta posición de la proteína. Como se ha conservado de forma tan constante durante la evolución, debe ser esencial para el funcionamiento del canal.

En los fotorreceptores tipo bastón de la retina, el canal cerrado por nucleótidos cíclicos (CNG) está compuesto por tres subunidades CNGA y una CNGB, y se cierra en respuesta a la activación de la luz para generar una señal eléctrica que se transmite al cerebro. Aquí presentamos la estructura crio-EM del estado cerrado del canal CNG nativo del bastón aislado de la retina bovina. La estructura revela diferencias entre las subunidades CNGA1 y CNGB1. Tres subunidades CNGA1 están unidas en su extremo C por una región en espiral. La hélice C del dominio de unión a nucleótidos cíclicos de CNGB1 presenta una orientación diferente a la de las tres subunidades CNGA1. El residuo de arginina R994 de CNGB1 llega a la vía iónica y bloquea el poro, introduciendo así una puerta adicional, que es diferente de la puerta hidrofóbica central conocida de los canales CNGA homoméricos. Estos resultados abordan la antigua cuestión de cómo las subunidades de CNGB1 contribuyen a la función de los canales CNG en las neuronas visuales y olfativas.

Traducción: Asociación Mácula Retina.

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