Ученым из Исследовательского центра Юлих, Гренобля, Франкфурта и Москвы удалось определить атомарную структуру недавно открытого белка KR2, который способен транспортировать ионы натрия под воздействием света. Основываясь на полученных данных, команда исследователей нашла простой способ превратить KR2 из «насоса» для ионов натрия в «насос» для ионов калия. Если встроить KR2 в нейроны, он мог бы стать важным инструментом для оптогенетики, новой научной области, в которой светочувствительные белки играют роль молекулярных «переключателей», управляющих активностью нейронов и других электровозбудимых клеток, используя световые импульсы. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Structural and Molecular Biology. Пресс-релиз опубликован на сайте Jülich Research Centre.
В 2013 году группа ученых, изучавшая морскую бактерию Krokinobacter eikastus, сделала неожиданное открытие: в клеточной мембране этой бактерии был обнаружен неизвестный тип транспортера ионов. Белок, получивший рабочее название KR2, принадлежит к группе светочувствительных белков, которые являются объектом исследований оптогенетики. Под воздействием света эти белки позволяют заряженным частицам проникать в клетку или выводят их из клетки. Встроив такие транспортеры ионов в нейронную мембрану, ученые при помощи световых импульсов могут влиять на заряд нейронов, четко контролируя их активность. Этот метод быстро нашел применение, в частности, в неврологии. Тем не менее, на данный момент количество белков, способных выполнять такую функцию, невелико, и каждый из таких белков пока пропускал только определенные ионы.
Белок KR2 выводит из клетки положительно заряженные ионы натрия. В арсенале оптогенетики такого инструмента пока не было. До сих пор не были известны ни точная атомарная структура KR2, ни механизм переноса ионов, а это очень важно для использования KR2 в конкретных целях. Эта задача показалась интересной команде структурных биологов во главе с профессором Валентином Горделием, который возглавляет научно-исследовательские группы в Институте сложных систем (ICS-6) в немецком Исследовательском центре Юлих, в Институте структурной биологии в Гренобле, а также в Московском физико-техническом институте. Используя рентгеновскую кристаллографию, группа ученых получила первые структурированные 3D-снимки белковой субъединицы и комплекса из пяти субъединиц, которые формируются молекулой KR2 при определенных физиологических условиях.
«Структура KR2 обладает рядом уникальных особенностей», — говорит Иван Гущин, один из основных авторов исследования, работающий с профессором Горделием. Одна из таких особенностей — короткая белковая спираль, которая, как крышка, закрывает снаружи горловину «насоса». Особенность KR2, которая больше всего заинтересовала ученых, — это необычная структура обращенной внутрь полости, поглощающей ионы. Она, как оказалось, необычно большого размера и выступает над поверхностью белка. «Мы предположили, что эта структура могла бы выступать как своего рода фильтр, определяя взаимодействие KR2 с ионами натрия», — объясняет Гущин.
Чтобы проверить это предположение, команда профессора Горделия изменила структуру, а именно, заменила некоторые аминокислоты на данном участке путем проведения целенаправленных мутаций. В результате одной из них KR2 не только ожидаемо потерял способность прокачивать натрий, но и превратился в единственный в своем роде «насос» для ионов калия, работающий под воздействием света. Чтобы подтвердить это наблюдение, исследователи провели ряд электрофизиологических экспериментов с очищенным белком в сотрудничестве с Эрнстом Бамбергом из Института биофизики Общества Макса Планка во Франкфурте-на-Майне. Он является экспертом по мембранным белкам и одним из отцов-основателей оптогенетики.
По словам Бамберга, этот результат особенно интересен в свете потенциального использования в оптогенетике. «В нейронах вывод ионов калия из клетки является естественным механизмом дезактивации. Обычно активированный нейрон выводит их через пассивные калиевые каналы в мембране. Имея активный калиевый «насос», управляемый при помощи света, мы могли бы четко контролировать этот процесс», — говорит Бамберг. Это сделало бы KR2 очень эффективным «переключателем» для нейронов. Теперь необходимо развивать способы внедрения такого «насоса» в различные типы клеток. «В сочетании с канальным родопсином-2, который используется в лабораториях по всему миру в качестве молекулярного «переключателя», калийный «насос» KR2 стал бы идеальным инструментом для максимально четкого контроля за активностью нервных клеток», — поясняет Эрнст Бамберг.
Слева: Как и все белковые молекулы, «насос» KR2 состоит из одинарной цепи аминокислот, образующей сложную трехмерную структуру. Семь связанных спиралей (обозначены желтым цветом) образуют канал в клеточной мембране, через который проникают ионы натрия. Уникальная среди светочувствительных «насосов» структура – это дополнительная короткая спираль (обозначена синим цветом), которая, как крышка, закрывает снаружи горловину «насоса». «Насос» приводится в действие светочувствительным ретинальдегидом (обозначен зеленым цветом). Справа: При определенных физиологических условиях пять молекул KR2 спонтанно образуют пентамерный комплекс в форме звезды.x.
Copyright: Forschungszentrum Jülich/IBS Grenoble
Поверхность комплекса KR2 сбоку. Каждая из пяти молекул KR2 связывает и транспортирует ионы натрия (обозначены фиолетовым цветом) через мембрану. Светочувствительный ретинальдегид внутри комплекса, который регулирует деятельность «насоса», прозрачный.
Copyright: Forschungszentrum Jülich/IBS Grenoble
Оригинал статьи:
Ivan Gushchin, Vitaly Shevchenko, Vitaly Polovinkin, Kirill Kovalev, Alexey Alekseev, Ekaterina Round, Valentin Borshchevskiy, Taras Balandin, Alexander Popov, Thomas Gensch, Christoph Fahlke, Christian Bamann, Dieter Willbold, Georg Büldt, Ernst Bamberg& Valentin Gordeliy:
Crystal structure of a light-driven sodium pump. Nature Structural & Molecular Biology (2015) doi:10.1038/nsmb.3002
Этот материал впервые опубликован на официальном сайте Jülich Research Centre
