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PNAS:研究人员揭示关键光遗传学蛋白的作用机制

来源:本站原创 2019-04-30 22:53

2019年4月30日讯 /生物谷BIOON /——光遗传学利用光来控制大脑活动。它是基于光控蛋白质发挥作用,如通道视紫红质-2——一个离子通道,当它暴露在光下才打开,从而激活细胞过程。在柏林洪堡大学的同事们的帮助下,波鸿鲁尔大学(RUB)的研究人员现在已经阐明了它的行为模式。Klaus Gerwert和Peter Hegemann教授领导的研究小组于近日在《PNAS》上发表了他们的最新研究成果。研究人员认为光遗传学具有巨大的治疗潜力。


图片来源:PNAS

Klaus Gerwert解释说:“光可能被用来让盲人重获光明,或治疗帕金森病患者的躁动性瘫痪等,这些都是可行的。”由Peter Hegemann发现的通道视紫红质-2是光遗传学中核心的光激活蛋白。如果这个离子通道被应用到神经细胞上,这些通道可以被光打开,从而激活细胞。在过去,科学家们对这个通道被激活的方式存在争议。Gerwert说:“但正是对蛋白质分子反应和由此产生的离子电导率的理解对优化蛋白质的潜在应用至关重要。”

来自波鸿和柏林的研究人员通力合作,详细研究了这个通道是如何被激活的。通过结合时间分辨傅里叶变换红外光谱、生物分子模拟和电生理实验,他们证明了光激发触发了两种不同的结构——而不是像之前假设的只有一种。其中之一导致所需的通道激活目前用于光遗传学。另一条通路只提供一个弱质子流;然而,暴光时间越长,它获得的优势就越多,并抑制所需的通道激活。因此,光遗传学工具很快就开始失去效力。

Gerwert总结说:“如果我们通过特定的蛋白质设计来阻断不需要的平行路径,我们就可以大大优化光遗传学工具。”在对通道视紫红质进行研究时,波鸿的研究人员利用了他们在光驱动质子泵细菌视紫红质机理方面的丰富经验,他们在几年前详细解决了这个问题。

Klaus Gerwert解释说:“就像在细菌或视紫红质中一样,蛋白质结合的水分子在质子导电性中起着至关重要的作用。”(生物谷Bioon.com)

参考资料:

Jens Kuhne et al, Unifying photocycle model for light adaptation and temporal evolution of cation conductance in channelrhodopsin-2, Proceedings of the National Academy of Sciences (2019). DOI: 10.1073/pnas.1818707116

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