Нобелевскую премию по физиологии и медицине дали за разработку оптогенетических методов

Новые белки, впервые обнаруженные у одноклеточных зелёных водорослей, привели к настоящей революции в нейробиологии.

Оптогенетика – точнее, оптогенетические методы – позволяют изучать активность отдельных нейронов, нейронных групп и нейронных цепочек прямо «по месту жительства», то есть в живом мозге. Нет нужды говорить, насколько эти методы оказались революционными для нейробиологии, притом они давно стали рутиной. Могло бы показаться, что «нобеля» за оптогенетику вручили давным-давно. Тем не менее, это случилось только сейчас: нобелевский комитет присудил премию в области физиологии и медицины Карлу Дейссероту, Петеру Хегеманну и Георгу Нагелю, чьи исследования легли в основу оптогенетических методов.

Их суть в двух словах сводится к тому, чтобы управлять работой нервных клеток с помощью света. Соответственно, нейроны нужно каким-то образом сделать чувствительными к свету. Саму идею светоуправляемых нейронов выдвинул ещё Фрэнсис Крик, один из соавторов структуры ДНК, в какой-то момент погрузившийся в нейробиологию сознания. Почему вообще Крик заговорил о световой стимуляции? Потому что нейронные сигналы распространяются очень быстро, и стимул должен соответствовать скорости нейронного общения. Свет же распространяется намного быстрее нейронных сигналов. Однако он должен действовать непосредственно на нейрон.

Тогда эта идея сильно опережала время. Но вот в начале 90-х годов прошлого века Петер Хегеманн решил подробнее изучить, как одноклеточные зелёные водоросли хламидомонады реагируют на свет. В их клетках есть глазок – часть крупного хлоропласта, окрашенная в красно-оранжевый цвет и содержащая светоулавливающие молекулы ретиналя, или ретинальдегида. Хламидомонадам нужен свет для фотосинтеза, и с помощью жгутиков они плывут туда, где света больше. О том, где светло, а где не очень, водоросли узнают благодаря электрохимическому сигналу, который возникает на мембранах глазка в ответ на свет. Хегеманн выяснил, что этот сигнал появляется всего за половину миллисекунды. В наших глазах свет тоже генерирует электрохимический импульс, который по нейронам бежит в мозг. Но у нас это довольно сложный, многоступенчатый процесс, занимающий как минимум 10 миллисекунд.

Электрохимический импульс возникает благодаря белкам – ионным каналам: они принимают сигналы от других молекул и меняют ионный поток через мембрану. Пропорции ионов по обе стороны мембраны меняются так, что этот сигнал начинает распространяться на соседние участки мембраны. В случае со светом ионные каналы работают с светоулавливающими напарниками-посредниками (на самом деле, таких посредников между светом и ионными каналами не один, а несколько, но для простоты мы их сейчас оставим за скобками). В сетчатке глаза это белки родопсины, удерживающие ретиналь. Хегеманн предположил, что у хламидомонад ионные каналы сами ловят свет, благодаря чему и реагируют на него намного быстрее.

Хламидомонадные ионные каналы попытались выделить из их клеток, но эти белки оказались слишком капризными и нестабильными, чтобы с ними можно было нормально работать. Однако к началу XXI в. удалось прочесть геном хламидомонад, и в нём обнаружились гены, которые, по всей видимости, кодировали белки со светоулавливающими свойствами. Тут в истории появляется Георг Нагель, который внедрил гены хламидомонадных белков в лягушачью икру – удобный объект для исследования различных белков, в том числе и сложных в обращении. Водорослевые белки начали синтезироваться в клетках-икринках, встраиваясь в их клеточную мембрану. Оказалось, что они работают именно так, как предполагал Хегеманн: это ионные каналы, которые сами, без посторонней помощи, реагируют на свет.

Их назвали канальными родопсинами 1 и 2 – то есть родопсинами, выполняющими одновременно функцию мембранного канала. (Похожие белки, на самом деле, описывали и раньше, но в совсем другом домене жизни – у архей.) Для оптогенетики более важным оказался канальный родопсин 2. Хегеманн и Нагель встроили его в почечные клетки хомяка и эмбриональные почечные клетки человека – те и другие стали светочувствительными, то есть в них возникал электрический сигнал в ответ на световой импульс. Статья с этими результатами была опубликована в 2003 г.

Дальнейшее развитие оптогенетических методов связано с именем Карла Дейссерота, который начинал свою карьеру как нейрохирург. Он был одним из тех, кто пытался найти способ управлять нейронами в живом мозге. Ему на глаза попалась статья о канальных родопсинах хламидомонад и о том, что эти родопсины можно встраивать в клетки млекопитающих. Дейссерот взял ДНК канального родопсина 2 у Нагеля и внедрил её в нейроны крысы, пока только в лабораторной культуре. Нейроны начали реагировать на синий свет, при этом, что важно, никаких побочных эффектов от водорослевого белка у них не было.

Описание нейронов крысы, которые обрели светочувствительность, было опубликовано в 2005 г., и дальше последовали многочисленные эксперименты как самого Дейссерота в сотрудничестве с Хегеманном и Нагелем, так и других исследовательских групп. В 2006 г. появилось слово «оптогенетика», а в следующем году Дейссерот и его коллеги продемонстрировали, что могут управлять нейронами в мозге живой мыши: тонкое оптоволокно шло снаружи в моторную кору, где световые импульсы действовали на нейроны, управляющие движением мышиных вибриссов. Мышь, очевидно, была генетически модифицированной: её нейроны несли в себе ген канального родопсина.

Без преувеличения можно сказать, что оптогенетика сделала в нейробиологии настоящую революцию: теперь можно было прямо в живом мозге изучать работу отдельных нейронов и их групп. Причём нейронов разных, не только моторных, которые управляют мышцами, но и тех, которые имеют отношение к высшим психическим функциям. Так, благодаря оптогенетике удалось показать, как формируется связь между отдельными клетками и памятью, сложным социальным поведением и т.д. Если говорить о более прикладных вещах, то здесь, например, есть исследования, в которых людям с дегенерацией сетчатки пытаются вернуть зрение, снабдив клетки сетчатки геном канального родопсина. Предполагается, что оптогенетика открывает путь для эффективных методов лечения даже таких сложных психоневрологических заболеваний, как шизофрения и болезнь Альцгеймера. Однако подобные перспективы, даже с учётом Нобелевской премии, лучше обсуждать с осторожностью.