揭示了原代光遗传工具的结构

一个国际研究小组已经确定了通道视紫红质2的三维结构，这是一种广泛用于光遗传学的膜蛋白，用于控制神经细胞的光照。光遗传学是一种相对较新的技术，涉及利用光来操纵生物体内的神经和肌肉细胞。类似的方法用于部分逆转听力和视力的丧失并控制肌肉收缩。

此外，光遗传学方法被用于研究天然神经元网络的特性，这些网络负责生物体内的情绪，决策和其他复杂过程。光遗传学是大自然的“2010年度方法”，并被列入科学的“2010年的突破和十年的见解”。

Channelrhodopsin 2或ChR2是一种主要的光遗传学工具。它是一种光敏蛋白质，最初于2003年从一种名为Chlamydomonas reinhardtii的绿藻中提取出来。科学家可以将ChR2插入活细胞的膜中来控制它。当被照射时，该蛋白质允许带正电荷的离子通过细胞膜进入细胞。在神经细胞中，这使膜去极化，模仿神经冲动的作用并使这种特殊的神经元发射。

由于ChR2工作速度快，对细胞相对无害，因此它是目前神经细胞活化的首选解决方案。一系列人工诱导的突变可用于改变蛋白质的特性。例如，可以增加它产生的电流或改变它响应的光的波长。这些修改使实验者能够使用适合其需要的蛋白质。研究人员甚至可以将几种蛋白质变体结合起来，在不同波长的光下产生明显的反应

迄今为止，用于修饰ChR2特性的大多数突变或多或少地随机引入 - 或者通过定向进化或基于已知蛋白质结构的数据。最接近现实的ChR2结构的研究人员是一种名为C1C2的奇怪组合，其中70%基于ChR1，一种相关蛋白，其余基于实际的ChR2。这种混合结构不能解释蛋白质的所有特性。因此，该模型预测的突变不太现实，因此对光遗传学的兴趣有限。

为了揭示ChR2的结构，该研究的作者使用了一种称为X射线衍射的分析技术，该技术仅适用于晶体形式的样品。这些是研究人员通过细观结晶获得的。也就是说，蛋白质晶体在所谓的立方脂质中间相中生长 - 这种介质允许蛋白质自由移动而不离开膜。为了确定蛋白质结构，用约1埃波长的X射线照射它们的晶体，该光线略小于蛋白质中原子之间键的长度。在X射线晶体学中，通过分析样品如何散射辐射来导出结构。

“尝试解决ChR2的结构可以追溯到2003年发现它。但是尽管来自世界各地的众多研究小组努力，但蛋白质在其天然状态下的结构仍然未知，”Valentin Borshchevskiy说。 ，该论文的作者之一，MIPT膜蛋白高级研究实验室副主任。“现在我们已经有了这个结构，可以将有意义的突变引入到蛋白质中，以根据特定实验的要求调整其特性。不知道结构，我们不得不通过反复试验来解决有用的突变，或者与有关蛋白质的数据。“