Ученые объяснили механизм работы белка KR2, который перекачивает ионы натрия в нервных клетках под воздействием света, и нашли ключевую структурную особенность таких насосов. Подобные натриевые насосы могут стать инструментами для управления нервными клетками при помощи световых сигналов — этим занимается оптогенетика.
Работа специалистов из Московского физико-технического института вместе с немецкими и французскими коллегами из исследовательского центра Юлих, Института Макса Планка и Института структурной биологии опубликована в журнале FEBS Letters. Детали исследования приводит пресс-служба МФТИ.
Нервные клетки организма используют так называемые ионные насосы для того, чтобы пропускать новые сигналы. Такие насосы в клетках человека работают по сигналу, который подает им сама клетка. Однако в ряде экзотических организмов (в некоторых морских бактериях) такие насосы реагируют не на внутриклеточные сигналы, а на свет. Наличие таких необычных ионных помп открывает возможность для управления нервными импульсами в клетках животных и человека.
В своей работе авторы, основываясь на более ранних своих исследованиях, проанализировали структуру светочувствительного натриевого насоса KR2, которую белок формирует в разных условиях, и на основе этого предложили молекулярный механизм работы этого насоса.
Под действием света ретиналь (светочувствительный элемент в структуре насоса) меняет структуру, отщепляя протон. Заход натрия внутрь полости белка снова изменяет ретиналь, при этом протон закрывает обратный ход натрию. Затем натрий проходит дальше внутрь клетки, а белок полностью возвращается к исходному положению, готовый к поглощению следующего фотона.
Выяснилось, что ширина «ворот» для прохода иона у белков в комплексах из пяти белков (олигомерах) чуть больше, чем у одиночного KR2: 12 ангстрем против 10. При этом у других насосов с известными структурами, ответственными за перенос протона, можно измерить подобное расстояние — оно окажется меньше, чем у KR2.
«Мы предполагаем, что величина около 12 ангстрем может быть минимальным значением для того, чтобы белок мог переносить заряженный ион вместо протона. Зная это пороговое значение, мы можем при помощи компьютерных методов модифицировать другие насосы таким образом, чтобы они пропускали нужные нам ионы. Разумеется, для этого требуется настройка еще в ряде ключевых мест в белке», — объясняет один из авторов статьи Виталий Шевченко.
По мнению исследователей, белок KR2 имеет все шансы стать ключевым инструментом для оптогенетики. Исследования в этой области вызывают большой интерес ученых последние десять лет. Эта наука, например, дает возможность работать с отдельными клетками нервной системы, изучая различные нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона). Также существуют исследования, демонстрирующие методы оптогенетики, с помощью которых возможно восстанавливать зрение у мышей.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение