Российские ученые получили структуру белка каналородопсина-2 (ChR2), который используется в качестве основного инструмента в оптогенетике для управления активностью нейронов при помощи света.
Структура, над получением которой исследователи со всего мира работали с 2003 года, помогла уточнить молекулярный механизм открытия ионного канала под действием света, и в будущем позволит направленно изменять его свойства под разные задачи. Работа опубликована в Science.
Каналородопсины первого и второго типа (ChR1 и ChR2) в природе служат «глазами» одноклеточным водорослям и обеспечивают микроорганизмам способность передвигаться в направлении источника света. Это мембранные белки, по принципу действия напоминающие родопсин — рецепторный белок, который содержится в клетках сетчатки и обеспечивает реакцию на свет.
Также как и человеческий родопсин, фоторецепторы микроорганизмов состоят из семи трансмембранных спиралей и содержат хромофор — молекулу ретиналя, которая присоединена к белку через остаток лизина. Под действием фотонов конформация хромофора, а за ним и всей системы меняется, в результате чего обеспечивается открытие ионных каналов и деполяризация клеточной мембраны.
Принцип работы каналородопсина. Под действием света определенной длины волны канал открывается и начинает пропускать ток.
Принципиальное отличие между родопсинами млекопитающих и микроорганизмов (каналородопсинами) заключается в том, что первые обеспечивают проведение сигнала опосредованно, только передавая информацию канальным белкам, а вторые сами являются ионными каналами. Под действием света каналородопсины начинают пропускать положительно заряженные ионы, причем открытие канала происходит очень быстро. Именно это свойство сделало их удобным инструментом для искусственного управления работой нейронов.
Белок ChR2 зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii используется в оптогенетике с момента изобретения этого метода в начале 2000х годов, и все это время ученые пытались получить его трехмерную структуру. Большая проблема разрешения структуры мембранных белков заключается в том, что их очень трудно кристаллизовать.
Международная группа ученых под руководством исследователей из лаборатории перспективных исследований мембранных белков МФТИ, разработала метод получения кристаллов мембранных белков in mesoв особой липидной среде. Это позволило ученым получить высококачественные кристаллы белка ChR2 и при помощи рентгеноструктурного анализа определить его структуру с разрешением 2,4 ангстрема. Сбор данных для определения структуры белка был проведен в Гренобле во Франции.
Ученые выяснили, что каналородопсин содержит по две заполненные водой полости с внешней и внутренней стороны мембраны. Эти проводящие полости соединяются тремя «створками», которые для проведения сигнала должны открываться одновременно.
Дополнительно ученые исследовали структуру мутантного каналородопсина, который способен долго оставаться в открытом состоянии (ChR2 C128T). Оказалось, что в дополнение к трем основным «створкам» для открытия канала важно взаимодействие между остатками цистеина в положении 128 и аспартата в положении 156, которое поддерживается с участием молекулы воды. Этот молекулярный «замок» расположен рядом с местом прикрепления хромофора и мгновенно реагирует на изменение его конформации.
Структура белка ChR2. Указаны «створки» (gates), открытие которых необходимо для пропускания ионов, и дополнительный «замок» из цистеина и аспартата (DC pair)
По словам соавтора статьи Валентина Борщевского, этой структуры оптогенетики ждали 14 лет, с момента открытия белка, и теперь она позволит ученым осмысленно вносить в него мутации, подстраивая свойства белка под конкретные эксперименты. В настоящее время известно несколько мутаций, которые позволяют управлять свойствами канала, например, увеличивают величину генерируемого тока или длину волны света, на которую белок реагирует. Эти мутации были получены путем перебора большого количества случайных вариантов.
Оптогенетика в последние годы вышла за пределы лабораторий и рассматривается уже как средство терапии, в частности для восстановления зрения. К примеру, в прошлом году женщина, ослепшая в результате пигментного ретинита, начала получать экспериментальное лечение — ей в глаз ввели препарат, содержащий ген каналородопсина.