Биофизики раскрыли механизм работы оптогенетического инструмента KR2
Международная исследовательская группа впервые получила структуру светочувствительного натрий-перекачивающего белка KR2 в его активном состоянии. Работа, опубликованная в Nature Communications, описывает механизм светозависимого переноса ионов натрия через клеточную мембрану.
KR2 принадлежит к обширному семейству микробных родопсинов — светочувствительных белков в мембранах архей, бактерий, вирусов и эукариот. Эти белки выполняют различные функции, включая светозависимый транспорт ионов. Такие ионные каналы и насосы являются основными инструментами оптогенетики — области биомедицины, которая фокусируется на управлении клетками в организме с помощью света.
Дальнейшее развитие оптогенетики осложнено ограниченным числом доступных белков, пригодных для активации и ингибирования клеток. Например, широко используемый каналродопсин 2 обладает низкой селективностью и может транспортировать ионы натрия, калия, кальция и протоны, что вызывает нежелательные побочные эффекты.
Поиск новых, более селективных белков является приоритетом. Кандидатом является родопсин KR2, открытый в 2013 году. Это уникальный инструмент, который в физиологических условиях селективно транспортирует только ионы натрия. Понимание его работы критически важно для оптимизации его функциональных характеристик и создания на его основе новых оптогенетических инструментов.
Ранее биофизики МФТИ опубликовали первые структуры KR2 в различных формах (2015, 2019 гг.), показав, в частности, что белок организуется в пентамеры в мембране, что важно для его функционирования. Однако все описанные модели представляли белок в неактивном, основном состоянии. Только в активном состоянии — после освещения — белок фактически транспортирует натрий.
Ключевые результаты нового исследования:
- Методология: Ученые активировали KR2 в предварительно выращенных белковых кристаллах, освещая их лазером, и получили снимок активного состояния с помощью быстрой заморозки кристаллов при 100 кельвинах. Выращивание большого количества высококачественных кристаллов стало возможным благодаря уникальному оборудованию Научно-исследовательского центра МФТИ.
- Основное открытие: Идентифицированы аминокислотные остатки белка, которые связывают ион натрия внутри молекулы KR2. Именно они определяют селективность родопсина к определенному типу ионов.
- Высокое разрешение: Получена структура активного состояния белка с разрешением 2.1 ангстрема (21 стомиллиардная метра), которая раскрыла точную конфигурацию сайта связывания иона натрия в активном центре белка.
- Эволюционная оптимизация: Впервые показано, что сайт связывания KR2 в ходе эволюции родопсина стал оптимизирован для ионов натрия. Это делает полученную структуру идеальной основой для рационального дизайна оптогенетических инструментов следующего поколения на основе KR2.
- Подтверждение при комнатной температуре: Ученые также получили структуру активного состояния KR2 при комнатной температуре, обновив известные протоколы сбора кристаллографических данных и используя источник синхротронного излучения. Эта структура подтвердила корректность модели, полученной при низкой температуре.
Предложенный механизм транспорта:
Полученные структуры позволили впервые описать активный светозависимый транспорт ионов натрия через клеточную мембрану. Исследование показывает, что транспорт натрия, скорее всего, осуществляется по гибридному механизму, сочетающему релейный перенос протона и пассивную диффузию ионов через полярные полости в белке. Этот механизм подтвержден функциональными исследованиями мутированных форм KR2 и методами молекулярной динамики.
«Транспорт ионов через клеточную мембрану — фундаментальный биологический процесс. При этом транспорт ионов натрия должен осуществляться по механизму, отличному от транспорта протонов. Впервые мы видим, как ион натрия связан внутри молекулы родопсина, и понимаем механизм высвобождения иона в межклеточное пространство», — объясняет Валентин Горделий, научный координатор НИЦ МФТИ.
Ученые уверены, что их открытия не только раскрывают фундаментальные принципы транспорта ионов, но и будут полезны для оптогенетики. МФТИ продолжает разработку оптимизированных форм белка KR2 для расширения инструментария исследований мозга и терапии нейродегенеративных заболеваний.
В исследовании приняли участие ученые из МФТИ (Россия); Университета Гренобля и Европейского центра синхротронного излучения (ESRF, Франция); Исследовательского центра Юлих, Университета Ахена, Института биофизики Макса Планка и Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL, Германия); а также синхротронного центра ALBA (Испания).