Оптогенетика — это мощный инструмент биофизиков, благодаря которому они управляют клетками с помощью света. Метод использует канальные родопсины — мембранные белки, связанные с молекулой ретиналя (производное витамина A). В результате совместной работы биофизиков Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ и их коллег из Европы впервые в высоком разрешении были описаны структуры как закрытого, так и открытого состояния родопсина OLPVR1. Авторы также создали мутантные формы белка, которые могут быть полезны для лечения болезней. Статья вышла в журнале Nature Structural & Molecular Biology.
Молекулярные биологи и биоинженеры создали много остроумных инструментов для исследований. Они заметно расширили возможности биологов и ускорили прогресс наук о жизни. Примеры — это флуоресцентные метки, применяющиеся в микроскопии, средства направленного транспорта в клетке и оптогенетика.
Оптогенетические подходы появились недавно, но уже показали себя эффективными для манипулирования клетками. Они очень избирательно и быстро меняют состояние мембраны и самой клетки с помощью света. В основе оптогенетики — белки родопсины (в том числе канальные родопсины), которые связаны с молекулой ретиналя. Та под действием света изомеризуется, то есть меняет взаимное расположение атомов в молекуле.
Это делает канальный белок управляемым с помощью светового сигнала — он переходит из закрытого в открытое состояние и начинает проводить ионы. Такие заряженные частицы определяют состояние клеток и развитие многих болезней.
Родопсины есть у самых разных организмов — в светочувствительных клетках глаза человека, у одноклеточных водорослей хламидомонад и даже бактерий. Их имеют даже некоторые вирусы. Например, родопсин OLPVR1 из фикоднавируса (Organic Lake phycodnavirus) — гигантского вируса, заражающего водоросли. На этом белке сосредоточились авторы нового исследования — ученые из МФТИ и научных центров Германии и Франции.
OLPVR1 экспрессировали в кишечной палочке E. coli, затем кристаллизовали белок и получили его высокоточную структуру с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА).
Несмотря на пристальное внимание к канальным родопсинам и их активное исследование, в высоком разрешении обычно удается получить структуры закрытого состояния или состояний до открытия канала. Неопределенность со структурой открытого состояния и недостаточное разрешение мешает понять механизмы функционирования канальных родопсинов. А значит, успешно использовать эти важные белки.
В новой работе приведены сразу две структуры OLPVR1, полученные в атомном разрешении — оно равно 1,1 и 1,3 ангстрема для закрытого и открытого состояния (при физиологических значениях кислотности). Дополнительно получена точная структура белка в кислой среде (pH = 2,5). Вместе эти данные характеризуют сложную динамику канала — перестройки его трехмерной формы, разрыв одних связей внутри молекулы и появление новых, внедрение воды и так далее.
Более того, авторы создали ряд мутантных форм OLPVR1 с измененными свойствами. Ученым удалось получить тройной мутант белка — VirChR1(E47D/S91N/V193T). В результате способность белка пропускать ионы в активированном светом состоянии возросла втрое.
Важно, что результаты применимы не только к OLPVR1, но и ко многим другим канальным родопсинам, поскольку их объединяет сходство структур и функций. К тому же такие вирусные белки хорошо пропускают ионы кальция — мишень для терапии многих заболеваний — и могут помочь создать новые методы их лечения.
«Данная работа очень важна, во-первых, для понимания функционирования вирусных родопсинов, так как пока не известно значение этого уникального подсемейства белков. Во-вторых, изучение канальных родопсинов в целом способствует развитию оптогенетического метода, позволяя рационально изменять уже существующие инструменты для их спецификации. Уникальность работы состоит в том, что нами были впервые получены кристаллографические данные такого высокого разрешения для открытого состояния канала. А особенности этого уникального белка дополнительно подстегивают интерес к нему», — рассказал Сергей Бухалович, сотрудник Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний ЛФИ МФТИ.
