Как свет управляет нервной клеткой

Расшифрована структура белка, позволяющего управлять нейронами с помощью световых импульсов.

Исследователи из Московского физико-технического института вместе с коллегами из Юлихского исследовательского центра, Института биофизики Общества Макса Планка и других европейских научных центров расшифровали пространственную структуру белка под названием канальный родопсин 2, или ChR2. Этот фоточувствительный белок, который выделили в начале 2000-х годов из зеленых водорослей, и с тех пор самые разные лаборатории по всему миру пытались понять, как он устроен. Бурный интерес к ChR2 объясняется просто – его, вместе с родственным ChR1, активно используют в оптогенетике.

Оптогенетика – метод, или, точнее, комплекс методов, позволяющих управлять активностью нейронов и нейронных сетей прямо в живом мозге. Для начала в нужные нейроны с помощью генной инженерии вводят ген канального родопсина – клетка его синтезирует и встраивает в мембрану. Канальный родопсин работает ионным каналом – поймав световой луч, он пропускает через мембрану определенные ионы, так что в результате на мембране меняется электрический потенциал. Своим «естественным хозяевам», зеленым водорослям, родопсин помогает искать более освещенные места; пересаженный в нейрон, он заставляет его генерировать электрохимический импульс. Чтобы включить группу нейронов с канальным родопсином, нейробиологи подводят к ним специальные световоды. (Подробнее об оптогенетике можно узнать из нашей статьи «Оптогенетика: самые светлые мысли».)

Канальный родопсин открыл перед исследователями огромные перспективы. С ним стало возможным напрямую изучать функции разных групп нейронов: световоды активируют нейроны в мозге крысы, и мы смотрим, как меняется поведение животного. (В 2010 году журнал Nature назвал оптогенетику методом года, а журнал Science в том же году назвал ее прорывом десятилетия.) При этом сам ChR2, конечно, изменяли, пытаясь оптимизировать его структуру для выполнения тех или иных экспериментальных задач. В белок вносили разные мутации, после которых он начинал реагировать на другую длину световой волны, или же, например, изменялась сила генерируемого тока, скорость работы самого белка и т. д. 

Однако раньше большинство мутаций делались отчасти вслепую. Конечно, аминокислотная последовательность белка была известна, однако кроме нее, нужно знать и еще трехмерный «портрет» белка – то, как аминокислотная цепочка сворачивается в пространстве под действием физико-химических сил. Этого про ChR2 никто не знал, и большинство модификаций приходилось выполнять методом направленной эволюции, трудоёмким перебором разных вариантов или же ориентируясь на структуру родственных белков. Чтобы понять устройство ChR2, из него даже сделали молекулярную химеру – белок C1C2, в котором примерно 70% от родственного белка ChR1 и 30% от ChR2. Структуру C1C2 можно было изучить в деталях, однако все свойства самого ChR2 на такой структуре объяснить было нельзя.

Теперь же структура ChR2 есть – ее опубликовали в Science Олександр Волков, Кирилл Ковалев, Виталий Половинкин, Валентин Борщевский и их коллеги. Обычно белковые структуры расшифровывают с помощью рентгеноструктурного анализа. Этот метод основан на изучении дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке.  Кристаллы белка просвечиваются рентгеновским излучением с длиной волны порядка 1 ангстрема, что чуть меньше длины межатомной связи в белке. Затем по данным о рассеянии рентгеновских лучей восстанавливается структура белка. Для использования метода необходимо сначала получить кристалл, в узлах которого сидят молекулы изучаемого белка, но с мембранными белками – к каковым относится и канальный родопсин 2 – возникают проблемы, так как их сложно закристаллизовать. С ChR2 это все же удалось сделать: для его кристаллизации использовали особую среду, позволяющую молекулам белка свободно перемещаться в пространстве и формировать кристаллы, не выходя из мембраны.

«Получением структуры, безусловно, занималось много разных групп по всему миру с самого открытия ChR2 в 2003 году, однако без особых успехов — до сих пор структуры белка в его естественном виде известно не было. Наличие структуры позволит оптогенетике делать осмысленные мутации в белке, подстраивая его под конкретные эксперименты, – отметил Валентин Борщевский, заместитель заведующего лабораторией перспективных исследований мембранных белков МФТИ. – Раньше это было невозможно и большинство мутаций делались трудоёмким перебором или на основании структур родственных белков». Теперь биологам будет проще создавать нужные варианты ChR2, тем самым совершенствуя метод оптогенетики.

Работа поддержана объединённой программой Agence Nationale de la Recherche (Франция) и Deutsche Forschungsgemeinschaft (Германия) (ANR-15-CE11-0029-02), специальным соглашением CEA(IBS)-HGF(FZJ) STC 5.1, ERA.Net RUS Plus (ID 323) и Российским научным фондом (16-15-00242).

По материалам пресс-релиза МФТИ.