Ключевым подходом к пониманию мозга является наблюдение за поведенческими эффектами включения определенных популяций нейронов. Один из самых популярных подходов к контролю активности нейронов в модельных системах называется оптогенетикой и зависит от экспрессии микробных светозависимых каналов в интересующих нейронах.

Эти каналы работают как чувствительные к свету переключатели, включая нейроны со вспышкой света, и доступны с 2005 года. Критически важным способом подтверждения функции популяций нейронов было бы повторение эксперимента, но на этот раз путем выключения или отключения звука. одни и те же нейронные субпопуляции. Однако сообществу нейробиологов не хватало быстрого и действенного способа отключить или заглушить нейроны — до сих пор.

Исследователи из Центра медицинских наук Техасского университета в Медицинской школе Макговерна в Хьюстоне, Медицинского колледжа Бэйлора, Университета Райса и Университета Гвельфа, Онтарио, Канада, сообщили о новом классе светочувствительных каналов, которые обещают проложить путь к быстрому и эффективное оптическое замалчивание нейронов.

В статье, опубликованной в журнале Nature Neuroscience, исследователи описывают, как они идентифицировали первые естественные светозависимые калиевые (калиевые) каналы-родопсины (KCR).

«Активируемый светом калиевый канал долгое время искали в качестве глушителя нейронов, потому что калиевая проводимость естественным и универсальным образом гиперполяризует мембраны нейронов, прерывает потенциалы действия и возвращает деполяризованные нейроны к их мембранному потенциалу в состоянии покоя», — сказал ведущий автор исследования доктор Джон Спудич. Роберт А. Уэлч, почетный заведующий кафедрой химии Медицинской школы Макговерна.

Используя систематический скрининг неохарактеризованных опсинов (белков, которые связываются со светореагирующими химическими веществами) на предмет их электрофизиологических свойств, исследователи искали канал-родопсин с неуловимой калиевой селективностью, используя фототоковый скрининг пэтч-кламп генов, кодирующих опсин, функция которых неизвестна, экспрессируется в HEK293. клетки.

«Наша стратегия скрининга включает в себя акцент на опсинах из организмов, которые отличаются по своему метаболизму и среде обитания от ранее изученных содержащих опсин организмов и, следовательно, с большей вероятностью развили другие функции опсинов, адаптированные к разным селективным давлениям в ходе их эволюции», — Спудич. сказал. «Эта стратегия привела нас к двум генам, кодирующим опсин, из секвенированного генома Hyphochytrium catenoides, нефотосинтезирующего, гетеротрофного грибоподобного протиста, филогенетически и физиологически удаленного от водорослей, содержащих близкородственные селективные к натрию CCR».

«Мы обнаружили, что два канальных родопсина из H. catenoides — мы назвали HcKCR1 и HcKCR2, для H. catenoides калиевые каналы — родопсин 1 и 2 — были, в отличие от любого другого известного канального родопсина, высокоселективными в отношении калия по сравнению с натрием». сказала д-р Елена Говорунова, доцент лаборатории Spudich и первый автор. «В частности, отношение проницаемости (PK/PNa), равное 23, делает HcKCR1 мощным гиперполяризующим инструментом для подавления возбуждения возбудимых нейронов при освещении».

Лаборатория доктора Миншаня Сюэ в Бэйлоре и Лаборатории Фонда Каина, Неврологический научно-исследовательский институт Яна и Дэна Дунканов в Детской больнице Техаса затем протестировали эти новые инструменты на нейронах.

«Когда мой студент Юэян Гоу экспрессировал HcKCR1 в нейронах мыши и применил вспышку света, нейроны перестали электрически молчать. Этот канал преодолевает многие ограничения предыдущих ингибиторов и станет важным инструментом, помогающим нам понять функции мозга», — сказал Сюэ, преподаватель. член Baylor и соавтор этой работы.

Затем аспирант Сяоюй Лу из лаборатории Сен-Пьера в Университете Бэйлора и Райса продемонстрировал, что молчание также может быть достигнуто с помощью двухфотонного возбуждения, популярной техники для нацеливания на отдельные нейроны в естественных условиях с высоким пространственно-временным разрешением. «Двухфотонный контроль KCR может позволить нейробиологам расшифровать, какие нейроны имеют решающее значение для определенного поведения и когда важна их активность», — сказал доктор Франсуа Сен-Пьер, доцент нейробиологии Бейлора и ученый Макнейра, а также соавтор исследования. эта работа.

«Эта работа является прекрасным примером того, как сотрудничество нескольких институтов в Хьюстоне приводит к инновационным исследованиям. Хьюстон становится ведущим местом для разработки и применения передовых молекулярных нейротехнологий», — сказал Сен-Пьер.

Двигаясь вперед, группа оценит способность KCR подавлять нейроны в естественных условиях и продолжит изучение их биофизических механизмов для разработки еще лучших вариантов. В долгосрочной перспективе они также надеются, что KCR можно будет использовать для лечения калиевых каналопатий, таких как эпилепсия, болезнь Паркинсона, синдром удлиненного интервала QT и другие сердечные аритмии.