На пути к светоконтролируемой медицине: исследователи выяснили структуру специфических фоторецепторов
Идеальным решением для контроля клеточной активности без химических веществ мог бы стать «пульт дистанционного управления» для клеток с помощью света. Это позволило бы избирательно и неинвазивно влиять на органы и ткани внутри организма.
В качестве таких клеточных «приемников света» рассматриваются родопсины — фоторецепторы сетчатки глаза. С их помощью можно было бы включать и выключать определенные функции клеток световым импульсом. Это работало бы быстрее и целенаправленнее, чем лекарства.
В нейронауках уже используется нечто подобное: в нейроны с помощью генной инженерии встраивают светоконтролируемые ионные каналы из одноклеточных организмов. Однако такие каналы работают только в нервных клетках.
Цель нового исследования — стимулировать другие клетки и органы, чтобы контролировать различные функции организма: от работы кардиостимулятора сердца до механизмов хронической боли, тревоги и депрессии. Это могло бы привести к разработке эффективных клеточных терапий для гормональных нарушений, иммунных, сердечных и других заболеваний, включая рак.
Новый вид оптогенетики
Исследователи из Центра наук о жизни PSI под руководством Гебхарда Шертлера работают над новым видом оптогенетики. В этом подходе активными становятся световые рецепторы, подобные родопсинам: запускаемые световым импульсом, они связываются с белками в клетке и инициируют специфические клеточные сигнальные процессы, происходящие во всех органах.
Проект Switchable rhodOpsins in Life Sciences (SOL) имеет три цели:
- Найти подходящие родопсины и выяснить их структуру.
- Модифицировать такие родопсины для оптимизации процессов переключения.
- Использовать переключатели как инструмент в исследованиях и для разработки генных терапевтических средств.
Исследователи PSI сделали два значимых шага к первой цели.
Переключатель, который сгибается и растягивается
Родопсины — это белки, важнейшие фоторецепторы животного мира. В их центре находится молекула ретиналя, производного витамина A. При попадании светового импульса эта молекула меняет форму за квадриллионную долю секунды: изогнутая 11-цис форма становится вытянутой all-trans формой. Это изменение трансформирует структуру всего родопсина, позволяя ему связываться с G-белками в клеточной мембране.
Таким образом, эти светочувствительные родопсины относятся к семейству GPCR (G protein-coupled receptor). Комплексы родопсин–G-белок запускают каскад биохимических процессов.
В организме человека существуют сотни различных типов GPCR, которые контролируют множество функций. Около 40% всех лекарств нацелены на GPCR.
Преимущество простых фоторецепторов
Родопсины позвоночных (включая человека) моностабильны: после активации светом ретиналь покидает белок, и его необходимо регенерировать. Это слишком сложно для эффективного использования в качестве оптогенетического переключателя.
Многие беспозвоночные (кальмары, насекомые, пауки) имеют бистабильные родопсины. Они менее чувствительны, но ретиналь остается в белке после включения, и вторым световым импульсом его можно вернуть в исходную форму, выключив клеточный процесс. Это эволюционно более древняя форма, но она предлагает преимущества для оптогенетики.
Родопсин одного вида паука-скакуна оказался стабильным и простым в производстве, что сделало его кандидатом на роль оптогенетического переключателя.
Как сделать белки «счастливыми»
С помощью Swiss Light Source SLS в PSI была определена молекулярная структура этого паучьего родопсина в неактивном состоянии. Однако для его использования как переключателя необходимо было знать и структуру в активной форме. Это состояние, когда ретиналь вытянут, а родопсин связан с G-белком, крайне недолговечно.
В исследовании, опубликованном в PNAS, авторы сообщают, как им удалось стабилизировать активное состояние: путем крошечной модификации ретиналя. Небольшое дополнительное молекулярное кольцо обеспечило лучшее «прилегание» молекулы к связывающему карману белка, где она оставалась часами. Это позволило изучить структуру активного родопсина в комплексе с G-белком.
Смешанный белок
Во втором исследовании, опубликованном в Nature Communications, ученые решили проблему неидеального соответствия паучьего родопсина человеческому G-белку. Они создали химеру, заменив концевую часть гена человеческого белка (код для сайта связывания) на соответствующую часть гена паука.
С помощью дополнительных генетических модификаций в самом световом рецепторе была решена еще одна проблема: родопсины паука активируются и деактивируются светом одной и той же длины волны, что создавало хаос в образце. Модификации обеспечили переключение разными цветами света.
Следующие шаги
Следующим этапом фундаментальных исследований станет поиск способов настройки белков для управления другими цветами света. Это позволило бы избирательно включать и выключать разные клеточные функции. Также важно создать переключатели, чувствительные, например, к инфракрасному свету, который может проникать через ткани тела.
«Остается большой вопрос: если оптогенетика действительно будет использоваться в медицинской практике, как свет доберется до родопсина», — отмечает Мэтью Родригес. «Можно имплантировать источник света в тело. Но гораздо более элегантным и щадящим методом была бы работа с инфракрасным светом».
Большая часть белковой инженерии еще впереди. Конечная цель — собрать целый набор светоактивируемых GPCR, которые можно будет использовать для различных целей в организме.