Ученые предложили гипотезу, позволяющую объяснить работу белка, который под действием света перекачивает ионы натрия через клеточную мембрану, и нашли ключевую структурную особенность таких насосов. Подобные натриевые насосы рассматриваются учеными как перспективные инструменты для управления нервными клетками при помощи световых сигналов — то, чем занимается новая наука оптогенетика.
Работа специалистов из МФТИ вместе с немецкими и французскими коллегами из исследовательского центра Юлих, Института Макса Планка и Института структурной биологии опубликована в журнале FEBS Letters.
Исследования в области оптогенетики вызывают большой интерес учёных в последние десять лет. Эта наука, например, даёт возможность работать с отдельными клетками нервной системы, изучая различные нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона). Так же есть исследования, в которых показано, что методами оптогенетики возможно восстанавливать зрение у мышей. В данной работе учёные изучили мембранный белок KR2 — он живёт на мембране клетки и под воздействием света способен переносить ионы натрия через неё. На том, как же перенос заряженных частиц через границу клетки связан с нервными импульсами, стоит остановиться подробнее.
Тем временем на границе клетки
Среди множества (около 20 000) белков, закодированных в человеческом геноме, в особую группу выделяют мембранные белки. Это сложные молекулярные механизмы, которые встроены в мембрану каждой живой клетки и выполняют самые разные функции. Некоторые из них служат активными переносчиками тех веществ, которые сами по себе пройти через клеточную оболочку не могут – например, ионы хлора или калия, при помощи которых клетка регулирует солевой баланс внутри себя. В организме человека нервные клетки используют эти ионы для того, чтобы передавать нервный импульс: при переносе заряженных частиц через мембрану нейрона меняется разность потенциалов с разных сторон от неё, и электрический сигнал проходит дальше. Для того, чтобы пропустить следующий сигнал, нейрону нужно «сбросить» потенциал на начальное значение. Для этого он использует специальные молекулярные механизмы, которые выкачивают ионы наружу – ионные насосы, или ионные помпы.
Разные ионы по разные стороны клеточной мембраны. Синим, жёлтым и фиолетовым показаны те ионы, которые могут проходить через каналы, красным — те, для которых мембрана непроницаема. Изображение адаптировано из Wikimedia/Vojtěch Dostál
Такие насосы в клетках человека работают по сигналу, который подаёт им сама клетка или её окружающая среда – например, они могут реагировать на изменение потенциала вдоль нейрона, чтобы затем автоматически “сбрасывать” потенциал после прохода сигнала. Однако в ряде экзотических организмов (например, в некоторых морских бактериях) такие насосы реагируют не на внутриклеточные сигналы, а на свет. Наличие таких необычных ионных помп открывает возможность для управления нервными импульсами в человеческих (да и любых других) клетках: “вставив” в мембрану нейрона два типа таких насосов (для “зарядки” и “разрядки” клетки), которые при этом будут реагировать на свет разной длины волны (т.е. цвета), можно, подсвечивая отдельные нервные клетки лазером (разным в разный момент времени), управлять движением ионов через мембрану нейронов и проходом нервного сигнала через них.
Лазерные указки разных цветов. Именно светом разных цветов предполагается активировать белки, ответственные за разные ионы. Изображение: Wikimedia/Netweb01
Новая наука оптогенетика
В 2002 году учёные под руководством Эрнста Бамберга и Питера Хегеманна показали, что таким способом можно управлять разностью потенциалов по разные стороны клеточной мембраны в клетках одной из зелёной водоросли. Затем за несколько лет было показано, что такой подход можно применять не только на отдельных клетках, но и на более крупных организмах — вплоть до мышей.
Для перекачивания ионов учёные использовали три вида насосов. Первый — неспецифичные каналы (например, канальный родопсин), под действием света они пропускают какие-то положительные ионы, но типом ионов (калий от натрия, например) управлять не получается. Второй — разнообразные галородопсины, перекачивающие через мембрану только отрицательные ионы хлора. Третий — протонные помпы, которые могут переносить через клеточную оболочку протоны. Проблема в том, что первых двух типов насосов недостаточно, чтобы с хорошей точностью управлять нервным сигналом, а третий тип насосов плохо влияет на клетку — он меняет pH в ее цитоплазме, что плохо сказывается на работе её внутренних механизмов.
Размеры разных ионов, которые передаются через мембрану. Отметим, что в растворе протон H+ присутствует чаще всего в форме гидроксил-иона — гидрированной молекулы воды. Изображение: пресс-служба МФТИ
Для более мягкой «разрядки» лучше использовать насосы, которые перекачивают только ионы калия или натрия, которые сами нейроны для этого обычно и используют. Использовать «дикие» насосы, взятые прямо из экзотической бактерии, не всегда получается — часто необходимо модифицировать их таким образом, чтобы они были чувствительны только к определённому диапазону длин волн (или, проще говоря, реагировали на определённый цвет излучения). Или нужно сделать так, чтобы они пропускали через себя другой тип ионов. Для того, чтобы иметь возможность делать такие модификации, важно знать структуру и механизм работы этих насосов.
Механизм работы KR2
В своей работе авторы, основываясь на более ранних своих исследованиях, проанализировали структуру светочувствительного натриевого насоса KR2, которую белок формирует в разных условиях, и на основе этого предложили молекулярный механизм работы этого насоса.
Механизм работы белка KR2. Всё начинается с попадания света на ретиналь (вверху картинки). Фиолетовым показан ион натрия. Изображение любезно предоставлено авторами исследования
Под действием света ретиналь (светочувствительный элемент в структуре насоса) изменяется, открывая доступ молекуле натрия внутрь белка. Заход натрия внутрь полости белке снова изменяет ретиналь, закрывая обратный ход для натрия. Когда натрий выходит наружу, белок полностью возвращается к исходному положению, готовый к поглощению следующего фотона.
Так же авторы проанализировали, как на работу насоса влияет то, что в мембране он, скорее всего, объединяется в олигомеры — группы из нескольких белков, находящихся близко друг к другу (конкретно рассмотренный белок формирует пентамеры — комплексы из пяти белков).
Мономер (слева) и пентамер (справа) белка KR2. В пентамере пять одинаковых молекул объединены в один большой комплекс, что немного влияет на структуру каждого из них. Изображение: пресс-служба МФТИ
Выяснилось, что ширина «ворот» для прохода иона у белков в таких комплексах чуть больше, чем у одиночного KR2 — 12 ангстрем против 10. При этом у других насосов с известными структурами, ответственными за перенос протона можно измерить подобное расстояние — оно окажется меньше, чем у KR2.
«Мы предполагаем, что величина около 12 ангстрем может быть минимальным значением для того, чтобы белок мог переносить заряженный ион вместо протона. Зная это пороговое значение, мы можем при помощи компьютерных методов модифицировать другие насосы таким образом, чтобы они пропускали нужные нам ионы. Разумеется, для этого требуется настройка еще в ряде ключевых мест в белке», — комментирует Виталий Шевченко, автор статьи и научный сотрудник лаборатории перспективных исследований мембранных белков.
Оптогенетика в мире
Белок KR2 имеет все шансы стать ключевым инструментом для новой науки оптогенетики. Её создатели совсем недавно были удостоены премии Breakthrough Prize (прочитать об этом подробнее можно, например, здесь). Исследования в этой области проводятся и в МФТИ, и недавно было объявлено о создании центра по изучению старения, в рамках которого, в том числе, планируется создание лаборатории оптогенетики под руководством профессора Валентина Горделия — главного автора обсуждаемой работы.
Работа выполнена в рамках гранта Федеральной целевой программы «Исследования и разработки».
