Populære Innlegg

Redaksjonens - 2019

Struktur av molekyllysbryter - kanalrhodopsin - bestemt

Anonim

Optogenetikk gjør at bestemte nerveceller kan slås på og av ved hjelp av spesielle lysfølsomme "proteinbrytere". En av de viktigste av disse bryterne er Channelrhodopsin 2, det første lysbryterproteinet som har blitt uttrykt i nerveceller. I dag brukes den i laboratorier over hele verden, etter å ha spilt en nøkkelrolle i lanseringen av feltet optogenetikk, en uunnværlig teknikk i nevrovitenskap. Channelrhodopsin 2 brukes i grunnforskning innen nevrovitenskap, muskelfysiologi og cellbiologi grunnleggende og kan en dag også finne sin vei inn i medisin i form av genterapi. Forskere fra Jülich, Frankfurt, Grenoble og Moskva har nå oppdaget strukturen av dette lysfølsomme proteinet.

annonse


Med optogenetikk kan forskere bruke lys for å kontrollere aktiviteten til nevroner med større nøyaktighet enn noen gang før. Nøkkelen til denne teknikken er spesifikke mikrobielle rhodopsin-lignende proteiner. Når disse proteinene settes inn i membranet av nerveceller, fungerer de som lysfølsomme brytere som aktiverer cellene ved å transportere positive ioner inn i dem. Hvis disse ionene transporteres tilbake ut av cellen av et annet rhodopsinprotein, deaktiveres cellen. Hvilken lysfarge proteiner reagerer på og hvilke partikler de transporterer inn i eller ut av cellen, varierer fra molekyl til molekyl.

Dette gjør at forskere kan bytte nerveceller på og av eksternt ved hjelp av lysimpulser, slik at de kan studere hvordan cellene fungerer. På denne måten kan de studere interaksjoner mellom nevronkretsene i cellekulturer og hos levende dyr mye mer presist enn tidligere. I tillegg kan dette brukes til å studere neurodegenerative sykdommer mye mer nøyaktig og utvikle potensielle behandlinger.

Fra struktur til medisinsk bruk

En av de viktigste av disse bryterne er Channelrhodopsin 2, som kommer fra en enkeltcellede ferskvannsalger. Fram til nå var høyoppløsningsstrukturen og strukturmekanismen til denne ionkanalen ikke kjent. "Vi ønsket å bestemme den molekylære strukturen for å utarbeide detaljene om hvordan denne molekylen fungerer. Denne kunnskapen kunne tillate forbedrede anvendelser, kanskje til og med medisinske applikasjoner, " sier Ernst Bamberg fra Max Planck Institute of Biofysics i Frankfurt. Håpet er at forskningen vil tillate utvikling av forbedrede optogenetiske verktøy for forskning på neurodegenerative og muskelsykdommer, som aldersrelatert makuladegenerasjon eller hørselstap, eller for lysstimulerte pacemakere for hjertemuskelsynkronisering. "Initial kliniske studier med en kanalrhodopsin 2-basert genterapi for aldersrelatert makuladegenerasjon er allerede utført, " forteller Bamberg.

Strukturell biolog Valentin Gordeliy, hans kolleger på ICS-6 i Jülich, og forskere fra Grenoble, Moskva og Frankfurt har gjort betydelige fremskritt i å svare på disse spørsmålene. "Vi har vært i stand til å bestemme strukturen til channelrhodopsin, og dermed etablere det molekylære grunnlaget for å forstå hvordan bryteren fungerer i detalj, " sier Gordeliy.

Ion kanal med tre porter

Analyse viser at kjernestrukturen til kanalrhodopsin består av fire hulrom adskilt av tre fleksible innsnevringer som fungerer som porte. Meget forenklet, fungerer det som følger: når det er mørkt, er portene stengt; Når forskerne slår på lyset, åpner alle tre portene, slik at ioner strømmer gjennom. Dette aktiverer nervecellen. Vannmolekyler fungerer som gatekeepers, som danner en kjede av hydrogenbindinger fra vannmolekyl til vannmolekyl. Når kanalrhodopsin er utsatt for blått lys, gir retinalpigmentet på øvre side av proteinet rekkefølgen for porten å åpne. Kjeden av vannmolekyler bryter da, forårsaker de tre portene å åpne og produserer en pore som strekker seg rett gjennom proteinet.

"Våre resultater er en milepæl i optogenetikk, " sier Gordeliy, "da de åpner muligheten for å bygge nye kanaler med bestemte egenskaper." Ifølge instituttdirektør Dieter Willbold: "Disse resultatene er et utmerket eksempel på de sterke koblingene mellom strukturell biologi og hjerneforskning. Derfor har vi i tillegg til fokus på neurodegenerative lidelser lenge forsket på optogenetikk. Dette er et område som viser virkelig fordelene ved å kombinere instituttets strukturelle biologiske metoder og kompetanse med forskning på nevrogenerative forstyrrelser og behandlinger. "

annonse



Historie Kilde:

Materialer levert av Max-Planck-Gesellschaft . Merk: Innholdet kan redigeres for stil og lengde.


Tidsreferanse :

  1. Oleksandr Volkov, Kirill Kovalev, Vitaly Polovinkin, Valentin Borshchevskiy, Christian Bamann, Roman Astashkin, Egor Marin, Alexander Popov, Taras Balandin, Dieter Willbold, Georg Büldt, Ernst Bamberg, Valentin Gordeliy. Strukturelle innsikt i jonledning gjennom kanalrhodopsin 2 . Science, 2017; 358 (6366): eaan8862 DOI: 10.1126 / science.aan8862