Paul Scherrer Institut
Mehr Einblick in den Sehsinn: Forscher machen den Weg frei für eine zukünftige Heilungsmethode

PSI-Forschende haben einen wichtigen Bestandteil des Auges aufgeklärt. Es handelt sich um ein Protein in den Stäbchenzellen der Netzhaut, die es uns ermöglichen, bei Dämmerlicht zu sehen.

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Das Forschungsteam am PSI: Gebhard Schertler, Leiter des Bereichs für Biologie und Chemie, mit seinen Mitarbeitenden Diane Barret und Jacopo Marino (von links).

Das Forschungsteam am PSI: Gebhard Schertler, Leiter des Bereichs für Biologie und Chemie, mit seinen Mitarbeitenden Diane Barret und Jacopo Marino (von links).

Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

«Den Stäbchenzellen in unserem Auge verdanken wir es, dass wir die Sterne am Nachthimmel betrachten können», erklärt Jacopo Marino, Biologe im PSI-Labor für biomolekulare Forschung. «Diese Sinneszellen sind so lichtempfindlich, dass sie selbst ein paar Photonen detektieren, die uns von Orten weit weg im Weltall erreichen – wirklich erstaunlich.»

Dass man diese Lichtstrahlen dann am Ende als Seheindruck im Gehirn wahrnehmen könne, liege unter anderem an dem sogenannten CNG-Ionenkanal, dessen dreidimensionale Struktur PSI-Forschende rund um Jacopo Marino jetzt entschlüsselt haben. Der Ionenkanal besitzt die Aufgabe eines Pförtners, der regelt, ob und welche Teilchen ins Innere der Sinneszelle gelangen können, heisst es in einer Mitteilung.

Er ist in die fettreiche Hülle – die Zellmembran – der Stäbchenzellen eingebettet. In der Dunkelheit ist der Ionenkanal und damit das Tor in die Zelle vollständig geöffnet. Trifft aber Licht auf das Auge, wird in den Stäbchenzellen eine Kaskade von Prozessen in Gang gesetzt. Das sorgt schliesslich dafür, dass sich das Tor schliesst und positiv geladene Teilchen wie Kalziumionen nicht mehr in die Zelle strömen können. Dieses elektrochemische Signal setzt sich über Nervenzellen bis ins Sehzentrum des Gehirns fort, wo wir dann zum Beispiel einen Lichtblitz wahrnehmen.

«Die Idee, die Struktur dieses wichtigen Ionenkanals aufzuklären, entstand vor fast 20 Jahren, als Gebhard Schertler und Benjamin Kaupp bereits an diesem Thema forschten»

sagt Jacopo Marino. Beide sind Co-Autoren der Studie.

In aufwendiger und langwieriger Arbeit isolierte die Doktorandin Diane Barret das Kanalprotein aus Kuhaugen, sprich aus Schlachtmaterial. «Das war eine sehr herausfordernde Aufgabe, denn das Protein ist sehr empfindlich und zersetzt sich schnell. Auch liegt es in nur sehr geringen Mengen in dem Ausgangsmaterial vor», sagt Barret. Es dauerte ganze zwei Jahre, um genügend Protein zu bekommen, das sich untersuchen liess.

Aufgeben war kein Thema

«Wir beide waren zu stur, um aufzugeben», sagt Jacopo Marino. «Aber das hat sich am Ende bezahlt gemacht.» Mit der Technik der Kryo-Elektronenmikroskopie ermittelten die Forschenden schliesslich die dreidimensionale Struktur des Ionenkanals. «Im Gegensatz zu anderen Arbeiten zur Struktur des Ionenkanals, die bereits existieren, haben wir das native Protein untersucht, so wie es im Auge vorliegt. Wir sind also viel näher an den realen Bedingungen, wie sie im Lebewesen existieren», sagt Diane Barret.

«Findet man Moleküle, die derart auf das Protein einwirken, dass der Kanal sich vollständig schliesst, könnte man das Absterben der Zellen verhindern – und damit auch, dass die Menschen erblinden», erklärt Jacopo Marino. Jetzt, wo die genaue Struktur des Proteins bekannt ist, lässt sich gezielt nach solchen Molekülen suchen.

Was Krokodile, Adler und den Menschen verbindet

«So etwas hat niemand erwartet – wir waren total überrascht», sagt Diane Barret. Denn es existieren bereits andere Engstellen in der A-Untereinheit, Haupttore quasi, die man bisher für die einzigen gehalten hat. Interessanterweise fänden sich die zusätzliche Schranke nicht nur im Protein des Kuhauges, sondern quer durch alle Tierarten, wie die Forschenden zeigten. Vom Krokodil über den Adler zum Menschen – alle Lebewesen, die den Ionenkanal in ihrem Auge ausbilden, haben an dieser Stelle des Proteins die gleiche, herausstehende Aminosäure. Da sie in der Evolution so konstant beibehalten wurde, muss sie für die Funktion des Kanals unabdingbar sein. (az)

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