Статья на конкурс «био/мол/текст»: В инструментарии оптогенетики пополнение: обнаружены первые анионныеканальные родопсины. Эти белки под действием света пропускают внутрь клетки ионы хлора, что приводит к гиперполяризации мембраны и, следовательно, подавлению электрической активности возбудимых клеток.
| ||
Эта работа опубликована в номинации «лучшее новостное сообщение» конкурса «био/мол/текст»-2015.
Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделированияVisual Science.
Оптогенетика — современный подход, позволяющий изучать работу нервных клеток (нейронов), их сетей и даже органов, образованных ими — головного и спинного мозга [1, 2]. Этот метод основан на использовании конструкций, позволяющих ввести в клетки млекопитающих гены родопсинов [3] простейших организмов — например, водорослей. Родопсины водорослей, использующиеся в оптогенетике, представляют собой ионные каналы, которые открываются при возбуждении их светом определенной длины волны. Ранее были известны канальные родопсины, избирательно пропускающие внутрь клетки катионы (положительно заряженные ионы), что приводит к возбуждению нейрона (подробнее об этом можно прочитать в статье «Светлая голова» [1]). Лишь совсем недавно ученым удалось найти канальные родопсины, через которые в клетку могут поступать только анионы (отрицательно заряженные ионы). Таким образом, теперь стало возможно не только эффективно стимулировать, но и подавлять активность нервных клеток при помощи света.
Концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов внутри и снаружи клетки — один из важнейших регуляторов ее жизнедеятельности. Различная проницаемость мембраны для разных ионов, а также наличие в ней белков, способных к активному ионному транспорту, приводит к созданию на мембране электрического потенциала [4]. Этот потенциал определяется в основном катионами натрия и калия и анионами хлора.
Когда клетка покоится, внутри она заряжена более отрицательно, чем снаружи (имеет отрицательный мембранный потенциал). Вход в клетку положительно заряженных ионов приводит к деполяризации мембраны, то есть сдвигу ее потенциала в положительную сторону. У нейронов и мышечных клеток деполяризация мембраны приводит к возбуждению — генерации потенциалов действия [5]. Соответственно, если в нейрон искусственно ввести больше катионов, это приведет к его возбуждению, если же закачать анионы — наоборот, наступит торможение.
Рисунок 1. Ингибирование работы нейрона, содержащего анионный канальный родопсин, светом. Значения мембранного потенциала при воздействии света определенной интенсивности существенно ниже, чем в его отсутствие. Поэтому канальные анионные родопсины можно использовать для гиперполяризации мембраны клеток. Рисунок из [6].
Ученые из Медицинской школы Техасского университета (интересно, что первые два автора работы — наши соотечественники) провели биоинформатический анализ генома криптофитовойводоросли Guillardia thetаи обнаружили несколько родопсиновых последовательностей, три из которых имели отдаленное сходство с последовательностями канальных родопсинов из других водорослей [6]. Две последовательности, будучи введенными в клетки животных, действительно работают как светоактивируемые каналы. Однако, в отличие от всех прежде известных канальных родопсинов, эти белки избирательно проводят только анионы. Дальнейшие исследования показали, что оба белка, обладая хорошими кинетическими характеристиками и высокой чувствительностью к свету, могут успешно использоваться для гиперполяризациимембраны и подавления электрической активности (торможения) нейронов (рис. 1). Ранее гиперполяризация мембраны осуществлялась с помощью родопсиновых помп, переносящих всего один заряд в ответ на поглощение кванта света. Обнаруженные анионные каналы обладают в несколько тысяч раз большей эффективностью.
Характеристики открытых белков позволяют предполагать, что их применение окажется весьма полезным как для исследования работы нейронов и других клеток организма, так и в качестве терапевтических агентов для лечения эпилепсии [7], шизофрении и других неврологических и психических заболеваний, а также тахикардии и проведения обезболивания.
Комплексные исследования с применением других канальных родопсинов уже позволили открыть новый механизм генерации судорог, а также найти способы их предотвращения и контроля. Ученым из Медицинской школы Стэнфордского университета удалось показать, что торможение одного типа нейронов может привести к подавлению у крыс судорог, которые были видны только на электроэнцефалограмме (ЭЭГ) [8].
Одной из заманчивых перспектив использования канальных родопсинов в оптогенетике выглядит возможность введения разных родопсинов в различные группы нейронов — чтобы посредством избирательного воздействия на них светом разной длины волны проследить вклад того или иного типа нейронов в глобальную клиническую картину, например, эпилептического припадка, а также исследовать их взаимодействие. Именно поэтому расширение набора используемых для оптогенетики канальных родопсинов позволит совершить не только количественный, но и качественный прорыв в изучении работы мозга.
Авторы работы [6] любезно согласились ответить на несколько вопросов.
1. В чём особенности применения методов оптогенетики по сравнению с классическими подходами клеточной нейробиологии?
Классические подходы — то есть варианты электрической стимуляции — либо приводят к нарушению целостности мембраны клетки (внутриклеточные электроды), либо не позволяютизбирательно воздействовать только на некоторые из близко расположенных клеток (внеклеточные электроды). Оптогенетика же позволяет за счет использования промоторов, специфических для данного типа нейронов, возбуждать только их — независимо от того, сколько других нейронов находится поблизости, и не внося при этом никаких нарушений в структуру клетки. Кроме того, стимулирующий световой луч может быть сфокусирован до размеров одной клетки, что позволяет избирательно и неинвазивно стимулировать или тормозить специфические нейроны.
2. Каковы, на ваш взгляд, перспективы применения канальных анионных родопсинов в фундаментальной науке?
Область фундаментальной науки, где оптогенетические методы наиболее востребованы, — этокартирование нейронных сетей (определение функциональных связей между нейронами). Возможность избирательно подавлять активность заданных нейронов при помощи анионных канальных родопсинов столь же важна для такого картирования, как и возможность избирательно стимулировать их при помощи родопсинов катионных.
3. Какие медицинские вопросы могут быть решены с использованием канальных родопсинов?
Терапевтическое применение анионных канальных родопсинов можно предвидеть в первую очередь для лечения болезней, вызванных чрезмерной нейронной возбудимостью, таких как эпилепсия и мигрень. Также можно надеяться, что эти белки окажутся полезными для разработки новых методов болеутоления и контроля активности сердечной мышцы. Гипотетически, использование анионных родопсиновых каналов может оказаться полезным при всех отклонениях, связанных с недостаточным уровнем поляризации клеточных мембран.
4. Насколько легко, по вашему мнению, преодолеть барьер между исследованиями на лабораторных животных и применением канальных родопсинов в лечении реальных пациентов?
В настоящее время получены очень обнадеживающие данные по применению катионных канальных родопсинов для борьбы со слепотой, вызванной недоразвитием или дегенерацией светочувствительных клеток сетчатки. Успешное восстановление светочувствительности уже было достигнуто у нескольких видов млекопитающих, подверженных той же болезни [9], и начаты клинические испытания на пациентах-людях. Правда, сетчатка, по сравнению с другими тканями организма, обладает существенными преимуществами для внедрения генетического терапевтического агента и использования светового стимула. Тем не менее постоянное усовершенствование как самих оптогенетических средств (родопсиновых молекул), так и способов их внедрения в заданные типы клеток позволяет надеяться, что оптогенетическая медицина вскоре станет реальностью.
Литература
| ||
вторник, 18 августа 2015 г.
Обнаружены управляемые светом анионные каналы
