Исследование функционирования живых клеток сопряжено с неизбежным вмешательством экспериментатора в живую систему. Большую часть информации о физиологических процессах, происходящих в клетках и организмах, на данный момент получают с использованием химических воздействий. Этот подход не лишен ряда недостатков, таких как ограниченное время воздействия, неспецифичность и наличие побочных эффектов. В последние пару десятилетий появился и получил широкое распространение способ воздействия на клетки с помощью света с использованием светочувствительных белков. Этот подход, названный оптогенетикой, позволяет напрямую контролировать процессы, происходящие в клетках, с высочайшим временным и пространственным разрешением. Наш коллектив Центра исследования молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ совместно с зарубежными коллегами опубликовал обзорную статью в ведущем научном журнале Chemical Society Reviews (IF 46.2), в которой мы рассказали о последних достижениях оптогенетики в области контроля внутриклеточных органелл.
Клетка, органеллы и работа микробных родопсинов. ©Анастасия Власова
Классическая оптогенетика и микробные родопсины
Оптогенетика зародилась как способ контроля возбудимых клеток с помощью света и внесла неоценимый вклад в развитие нейробиологии. Первыми и до сих пор широко применяемыми инструментами оптогенетики были белки семейства микробных родопсинов. Микробные родопсины представляют собой семиспиральные трансмембранные белки, воспринимающие свет с помощью кофактора ретиналя. У микробных родопсинов, найденных у бактерий, архей, простейших и даже вирусов, могут быть разнообразные функции, однако для оптогенетики особо интересны две: ионные каналы и ионные насосы.
Ионные каналы были первыми применены в оптогенетике. Из них первый и самый популярный представитель — канальный родопсин 2 (ChR2) из одноклеточной водоросли хламидомонады (Chlamydomonas reinhardtii). Этот родопсин встраивали в плазматическую мембрану нейронов, что позволило активировать их возбуждение с помощью света. Ионные насосы, или, как их называют, помпы, также применяются в оптогенетике. В отличие от каналов, перенос ионов через которые пассивен и зависит от их концентрации, помпы всегда переносят ионы в одну сторону. Область оптогенетики, которая занимается контролем возбудимости нейронов с помощью родопсинов, можно назвать классической оптогенетикой.
Оптогенетика клеточных органелл
В последние годы оптогенетика выходит на новый уровень управления биологическими процессами. Наверняка многие помнят картинку из школьного учебника: клетка, а в ней множество пузырьков и других структур замысловатой формы — внутриклеточных органелл. Благодаря достижениям в области молекулярной и клеточной биологии теперь эти органеллы стали доступны для оптогенетического воздействия. Главная проблема, в решении которой сейчас достигнуты значительные успехи, — это обеспечить доставку, или, как говорят исследователи, направленную экспрессию, заданного родопсина в мембране выбранной органеллы. Сейчас известно, что для того, чтобы попасть в органеллу, белок должен содержать специальный сигнал, подобный адресу на конверте с письмом, который позволит местным «почтальонам» доставить его куда нужно. Здесь существует затруднение, которое состоит в том, что микробные родопсины представляют собой мембранные белки и далеко не все адресные сигналы для них работают успешно.
Тем не менее исследователям из разных научных групп удалось, не избежав отчасти применения «метода проб и ошибок», обеспечить доставку и функционирование микробных родопсинов в плазматической мембране, мембране эндоплазматической сети, лизосомах, эндосомах, синаптических везикулах и даже во внутренней мембране митохондрий. Контроль работы органелл с помощью света открывает совершенно новые возможности в изучении их функций по сравнению с традиционным химическим подходом. Применение оптогенетики органелл позволяет контролировать физиологические процессы в клетках с помощью света, что позволяет искусственно создавать и изучать на клеточном уровне механизмы заболеваний, а также способы их лечения.
Помимо огромного фундаментального значения оптогенетики органелл для понимания клеточной физиологии, эта область уже активно применяется для изучения сердечно-сосудистых, нейродегенеративных, онкологических заболеваний, а также процессов, ассоциированных со старением.
В нашем Центре исследования молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ несколько научных подгрупп занимаются созданием новых направленных в органеллы оптогенетических средств. Также ведется разработка новых подходов для управления функциями органелл и контроля метаболизма клеток с помощью микробных родопсинов.
