Расширение набора инструментов оптогенетики

Управление отдельными клетками мозга с помощью светочувствительных белков доказало свою эффективность для исследования сложностей мозга. По мере развития этой области нейробиологии растёт и потребность в разнообразном наборе белковых инструментов.

Мультидисциплинарная команда из 14 исследователей из Janelia Research Campus Медицинского института Говарда Хьюза и других учреждений нашла новый способ конструирования этих белков, называемых родопсинами. Переворачивая белки в клеточной мембране «вверх ногами», учёные смогли создать инструменты с новыми свойствами, о чём они сообщили 18 октября 2018 года в журнале Cell.

Эта техника может удвоить количество белков, доступных для оптогенетики — метода манипулирования активностью нейронов с помощью света. Новые гибридные родопсины уже используются в новых экспериментах в Janelia, помогая исследователям анализировать нейронные цепи и изучать нейробиологию лечения болезни Паркинсона.

До сих пор у учёных было два основных способа поиска новых белков для оптогенетики: открытие их в природе с помощью анализа геномов или постепенное мутирование белков до получения желаемых свойств. Каждый подход имеет сильные стороны, но ограничен в способности предоставить полный набор характеристик, необходимых для всё более точных экспериментов.

Вдохновлённые эволюцией, мультидисциплинарная команда Janelia под руководством Дженнифер Браун, Резы Бехнама, Люка Коддингтона и Гована Терво разработала дополнительный метод создания новых родопсинов. Помимо мутаций, разнообразие белков в природе возникает при рекомбинации — объединении белковых доменов с различными функциями путём перетасовки генов. Учёные полагают, что рекомбинация была критически важна для появления подмножества белков, изменивших свою ориентацию в клеточной мембране в ходе эволюции.

Хотя перевёрнутые белки существуют в природе, общепринятое мнение предполагает, что сконструировать их практически невозможно. Белки имеют форму, тонко настроенную для их ориентации в мембране, и обычно не образуют функциональные структуры при попытках изменить их в лаборатории.

Однако, когда исследователи Janelia сымитировали рекомбинацию, добавив новый белок к одному концу родопсина, он перевернулся. «Мы были действительно удивлены, насколько легко перевернуть любой понравившийся нам родопсин», — говорит старший руководитель группы Janelia Алла Карпова.

Если каждый существующий сконструированный или обнаруженный родопсин приобретает новую функцию при переворачивании, это может привести к удвоению доступных белковых инструментов для оптогенетики.

Команда не только смогла изменить ориентацию белков, но и обнаружила, что новые родопсины обладают уникальными и полезными функциями. Один из них, названный FLInChR (Full Length Inversion of ChR), изначально был родопсином, активирующим нейроны. После переворота он стал мощным и быстрым ингибитором, что позволило проводить новые эксперименты.

«Мы всегда хотим создавать новые инструменты, чтобы иметь возможность проводить любой эксперимент, который мы придумаем, — говорит старший руководитель группы Janelia Джошуа Дудман. — Возможность разнообразить ваш набор инструментов — действительно критически важный шаг для продолжения продвижения нейробиологии вперёд».