Ученые раскрыли молекулярный механизм блокировки светочувствительных каналов

Биофизики МФТИ совместно с зарубежными коллегами определили молекулярный механизм, с помощью которого ионы кальция блокируют вирусные канальные родопсины. Ученые впервые получили структуры белка OLPVR1 сверхвысокого разрешения, позволившие увидеть, где именно кальций «застревает», не давая каналу открыться. Эти данные проясняют базовые механизмы работы вирусных канальных родопсинов и открывают путь к созданию новых оптогенетических инструментов.

Канальные родопсины — это светочувствительные белки-каналы, которые открываются под действием света и пропускают ионы через клеточную мембрану. Их используют в оптогенетике — методе, позволяющем управлять активностью нейронов или других клеток с помощью световых импульсов. Эта технология произвела революцию в нейробиологии, дав исследователям беспрецедентный инструмент для изучения работы мозга и нервных цепей с помощью света, а ее разработчики в 2026 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Классический инструмент оптогенетики — канальный родопсин 2 из водорослей — обладает серьезным недостатком: он крайне сложно кристаллизуется. Перебрав немало вариантов, исследователи нашли удачный гомолог (белок, схожий по аминокислотной последовательности) из семейства вирусных канальных родопсинов VCR1. Это белки гигантских вирусов, заражающих одноклеточные водоросли и другие микроорганизмы.

Один из них — OLPVR1 — оказался удобной моделью: он хорошо производится в бактериях и образует высокоупорядоченные кристаллы, кроме того, обладает необычным свойством: помимо ионов натрия и калия, стандартных для катионных канал родопсинов, он способен проводить ионы кальция, однако его активность подавляется высокими концентрациями кальция.

Такая «дуальность» канала дала возможность ученым, с одной стороны, детально изучить путь переноса кальция внутри канала, с другой — понять механизм блокировки канала на атомарном уровне.

Чтобы увидеть, что происходит при активации светом заблокированного кальцием канала, авторы исследования применили метод криозахвата. Кристаллы OLPVR1, «вымоченные» с хлоридом кальция, сперва освещали лазером с длиной волны 532 нм для активации канала, а затем быстро замораживали криоструей при температуре 100 К, при которой движение молекул полностью замораживается. Так удалось зафиксировать белок в состоянии, когда канал должен был открыться, но кальций, сидящий внутри канала, не пускал натрий дальше и держал «затвор» закрытым.

«Чтобы не ухудшить качество кристаллов, мы прибегли к уловке. Мы не стали менять прекрасно работающий протокол по выращиванию кристаллов и по-прежнему растили их в буфере с NaCl, вместо того чтобы долго и сложно отимизировать их рост в присутствии катионов кальция. Потом мы «вымачивали» кристаллы OLPVR1 в растворах хлорида кальция и бария, что помогло сохранить хороший дифракционный сигнал. Это помогло нам увидеть движение и накопление Ca2+ и Ba2+ внутри канала», — рассказал первый автор работы, научный сотрудник Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ Сергей Бухдрукер.

Спектроскопия подтвердила эту картину. Инфракрасные спектры показали, что кальций прикрепляется к белку под действием света. При этом у самого белка меняется протонированное состояние ключевых глютаматов (E44 и E51): в норме они удерживают ионы водорода, но при активации E44 свой протон отдает — становится отрицательно заряженным, и это помогает ему повернуться и открыть канал, а кальций этому повороту препятствует.

«Главный акцент этой работы — впервые удалось получить структуры высокого разрешения с ионами кальция, бария и натрия, связанными с канальным родопсином. Эти данные позволяют понять, какие участки канала ионы проходят, чтобы перейти из внеклеточного пространства внутрь клетки или обратно. Зная путь, мы можем модифицировать белок и создать улучшенный инструмент для оптогенетики, который, например, специфически пропускает кальций или, наоборот, не пропускает его», — подытожил Сергей Бухдрукер.

По словам ученых, полученные результаты открывают путь к рациональному дизайну оптогенетических инструментов. Зная точный путь ионов и места, где кальций «застревает», можно методом рационального мутагенезиса направленно менять аминокислотные остатки, чтобы канал либо избирательно пропускал кальций, либо, например, становился нечувствительным к его блокирующему действию. Такие генно-модифицированные каналы могут применятся для лечения заболеваний, особенно связанных с нарушениями в системе передачи сигналов внутри клетки, где роль посредника выполняют ионы кальция. Сбои в этой тонкой системе связаны с широким кругом заболеваний. К ним относятся болезни сердца, шизофрения, биполярное расстройство, болезнь Альцгеймера, а также мигрень, эпилепсия, диабет и некоторые виды рака.

Источник: Официальный ресурс Министерства науки и высшего образования Российской Федерации