Souhrn: Výzkumníci uvádějí, že identifikovali první přirozené světlo-bráněný draslíkový kanál – rodopsiny.
Zdroj: Baylor College of Medicine
Klíčovým přístupem k pochopení mozku je pozorování behaviorálních účinků zapnutí specifických populací neuronů. Jeden z nejpopulárnějších přístupů k řízení neuronální aktivity v modelových systémech se nazývá optogenetika a závisí na expresi mikrobiálních světlem řízených kanálů v zájmových neuronech.
Tyto kanály fungují jako spínače reagující na světlo, zapínají neurony zábleskem světla a jsou dostupné od roku 2005. Kritickým způsobem, jak potvrdit funkci neuronových populací, by bylo opakování experimentu, ale tentokrát vypnutím nebo ztišením stejné neuronální subpopulace. Neurovědecká komunita však postrádala rychlý a účinný způsob, jak vypnout nebo umlčet neurony – až dosud.
Výzkumníci z University of Texas Health Science Center na Houston McGovern Medical School, Baylor College of Medicine, Rice University a University of Guelph, Ontario, Kanada, oznámili novou třídu světelně řízených kanálů, které slibují připravit cestu pro rychlé a účinné optické tlumení neuronů.
Publikoval v Příroda Neurosciencevědci popisují, jak identifikovali první přirozené světlovodné draslíkové (kalium) kanálové rhodopsiny (KCR).
„Světlem aktivovaný draslíkový kanál byl dlouho hledán jako tlumič neuronů, protože vodivost draslíku přirozeně a univerzálně hyperpolarizuje neuronové membrány, ukončuje akční potenciály a vrací depolarizované neurony do jejich klidového membránového potenciálu,“ řekl hlavní autor studie Dr. John Spudich. Robert A Welch Distinguished Chair v oboru chemie na McGovern Medical School.
Pomocí systematického screeningu necharakterizovaných opsinů (proteinů, které se vážou na chemické látky reagující na světlo) na jejich elektrofyziologické vlastnosti, výzkumníci hledali kanál-rhodopsin s nepolapitelnou selektivitou pro draslík pomocí patch clamp fotoproudového screeningu genů kódujících opsin s žádnou známou funkcí vyjádřenou v HEK293. buňky.
„Naše strategie screeningu zahrnuje důraz na opsiny z organismů, které se liší svým metabolismem a stanovišti od dříve studovaných organismů obsahujících opsin, a proto je pravděpodobnější, že se u nich vyvinuly různé funkce opsinu přizpůsobené různým selekčním tlakům během jejich evoluce,“ Spudich řekl.
„Tato strategie nás vedla ke dvěma genům kódujícím opsin ze sekvenovaného genomu Hyphochytrium catenoides, nefotosyntetického, heterotrofního houbovitého protista jak fylogeneticky, tak fyziologicky vzdáleného od řas obsahujících blízce příbuzné sodík-selektivní CCR.“
„Zjistili jsme, že dva kanálové rhodopsiny z H. catenoides – pojmenovali jsme HcKCR1 a HcKCR2, pro H. catenoides kalium kanál – rodopsiny 1 a 2 – byly, na rozdíl od jiných známých kanálových rhodopsinů, vysoce selektivní pro draslík oproti sodíku.“ řekla Dr. Elena Govorunova, docentka v laboratoři Spudich a první autorka.
„Zejména poměr permeability (PK/PNa) 23 činí z HcKCR1 výkonný hyperpolarizační nástroj pro potlačení vzrušujících neuronů při osvětlení.“
Laboratoř Dr. Mingshan Xue v Baylor a Cain Foundation Laboratories, Jan a Dan Duncanovi Neurologický výzkumný ústav v Texaské dětské nemocnici, poté testovali tyto nové nástroje v neuronech.
„Když můj student Yueyang Gou exprimoval HcKCR1 v myších neuronech a použil záblesk světla, neurony elektricky ztichly. Tento kanál překonává mnohá omezení předchozích inhibitorů a bude kritickým nástrojem, který nám pomůže porozumět mozkovým funkcím,“ řekl Xue, člen fakulty Baylor a spoluautor této práce.
Postgraduální student Xiaoyu Lu v laboratoři St-Pierre na Baylor and Rice University pak prokázal, že umlčení lze také dosáhnout pomocí dvoufotonové excitace, oblíbené techniky pro zacílení jednotlivých neuronů in vivo s vysokým časoprostorovým rozlišením.
„Dvoufotonová kontrola KCR může neurologům umožnit rozluštit, které neurony jsou kritické pro konkrétní chování a kdy je jejich aktivita důležitá,“ řekl Dr. François St-Pierre, odborný asistent neurovědy na Bayloru a vědec McNair a spoluautor tato práce.
„Tato práce je skvělým příkladem toho, jak multiinstitucionální spolupráce v Houstonu produkuje inovativní výzkum. Houston se ukazuje jako přední místo pro vývoj a aplikaci špičkových molekulárních neurotechnologií,“ řekl St-Pierre.
Viz také
V budoucnu bude skupina hodnotit schopnost KCR umlčet neurony in vivo a pokračovat ve studiu jejich biofyzikálních mechanismů, aby vytvořily ještě lepší varianty. Z dlouhodobého hlediska také doufají, že KCR by mohly být použity při léčbě draslíkových kanálopatií, jako je epilepsie, Parkinsonova choroba a syndrom dlouhého QT intervalu a dalších srdečních arytmií.
O těchto novinkách z neurovědního výzkumu
Autor: Graciela Gutierrezová
Zdroj: Baylor College of Medicine
Kontakt: Graciela Gutierrez – Baylor College of Medicine
Obraz: Obrázek je ve veřejné doméně
Původní výzkum: Uzavřený přístup.
„Objev dlouho hledaných světlem řízených draslíkových kanálů: přírodní kalium kanálové rhodopsiny“ od Johna Spudicha a kol. Příroda Neuroscience
Abstraktní
Objev dlouho hledaných draslíkových kanálů se světelnou bránou: přírodní kalium kanál-rodopsiny
Uvádíme kanály se světelnou bránou v houbě podobném prvoku, které jsou vysoce selektivní pro K+ nad Na+.
Tyto mikrobiální rhodopsinové kanály, nazývané kalium channelrhodopsiny, umožňují robustní inhibici myších kortikálních neuronů s milisekundovou přesností.
Kromě toho kalium channelrhodopsiny odhalují dříve neznámý mechanismus selektivity draslíku.