Оптогенетика — современный подход, позволяющий изучать работу нервных клеток (нейронов), их сетей и даже органов, образованных ими — головного и спинного мозга [1, 2]. Этот метод основан на использовании конструкций, позволяющих ввести в клетки млекопитающих гены родопсинов [3] простейших организмов — например, водорослей. Родопсины водорослей, использующиеся в оптогенетике, представляют собой ионные каналы, которые открываются при возбуждении их светом определенной длины волны. Ранее были известны канальные родопсины, избирательно пропускающие внутрь клетки катионы (положительно заряженные ионы), что приводит к возбуждению нейрона (подробнее об этом можно прочитать в статье «Светлая голова» [1]). Лишь совсем недавно ученым удалось найти канальные родопсины, через которые в клетку могут поступать только анионы (отрицательно заряженные ионы). Таким образом, теперь стало возможно не только эффективно стимулировать, но и подавлять активность нервных клеток при помощи света.

Концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов внутри и снаружи клетки — один из важнейших регуляторов ее жизнедеятельности. Различная проницаемость мембраны для разных ионов, а также наличие в ней белков, способных к активному ионному транспорту, приводит к созданию на мембране электрического потенциала [4]. Этот потенциал определяется в основном катионами натрия и калия и анионами хлора. Когда клетка покоится, внутри она заряжена более отрицательно, чем снаружи (имеет отрицательный мембранный потенциал). Вход в клетку положительно заряженных ионов приводит к деполяризации мембраны, то есть сдвигу ее потенциала в положительную сторону. У нейронов и мышечных клеток деполяризация мембраны приводит к возбуждению — генерации потенциалов действия [5]. Соответственно, если в нейрон искусственно ввести больше катионов, это приведет к его возбуждению, если же закачать анионы — наоборот, наступит торможение.

Ученые из Медицинской школы Техасского университета (интересно, что первые два автора работы — наши соотечественники) провели биоинформатический анализ генома криптофитовой водоросли Guillardia thetа и обнаружили несколько родопсиновых последовательностей, три из которых имели отдаленное сходство с последовательностями канальных родопсинов из других водорослей [6]. Две последовательности, будучи введенными в клетки животных, действительно работают как светоактивируемые каналы. Однако, в отличие от всех прежде известных канальных родопсинов, эти белки избирательно проводят только анионы. Дальнейшие исследования показали, что оба белка, обладая хорошими кинетическими характеристиками и высокой чувствительностью к свету, могут успешно использоваться для гиперполяризации мембраны и подавления электрической активности (торможения) нейронов (рис. 1). Ранее гиперполяризация мембраны осуществлялась с помощью родопсиновых помп, переносящих всего один заряд в ответ на поглощение кванта света. Обнаруженные анионные каналы обладают в несколько тысяч раз большей эффективностью.

Характеристики открытых белков позволяют предполагать, что их применение окажется весьма полезным как для исследования работы нейронов и других клеток организма, так и в качестве терапевтических агентов для лечения эпилепсии [7], шизофрении и других неврологических и психических заболеваний, а также тахикардии и проведения обезболивания.

Комплексные исследования с применением других канальных родопсинов уже позволили открыть новый механизм генерации судорог, а также найти способы их предотвращения и контроля. Ученым из Медицинской школы Стэнфордского университета удалось показать, что торможение одного типа нейронов может привести к подавлению у крыс судорог, которые были видны только на электроэнцефалограмме (ЭЭГ) [8].

Одной из заманчивых перспектив использования канальных родопсинов в оптогенетике выглядит возможность введения разных родопсинов в различные группы нейронов — чтобы посредством избирательного воздействия на них светом разной длины волны проследить вклад того или иного типа нейронов в глобальную клиническую картину, например, эпилептического припадка, а также исследовать их взаимодействие. Именно поэтому расширение набора используемых для оптогенетики канальных родопсинов позволит совершить не только количественный, но и качественный прорыв в изучении работы мозга.

Литература

1. Светлая голова;
2. Оптогенетика + голография = прозрение?;
3. Зрительный родопсин — рецептор, реагирующий на свет;
4. Формирование мембранного потенциала покоя;
5. Википедия: «Потенциал действия»;
6. Govorunova E.G., Sineshchekov O.A., Janz R., Liu X., Spudich J.L. (2015). Natural light-gated anion channels: A family of microbial rhodopsins for advanced optogenetics. Science. 349 (6248), 647–650;
7. Paz J.T. and Huguenard J.R. (2015). Optogenetics and epilepsy: past, present and future. Epilepsy Curr. 15 (1), 34–38;
8. Paz J.T., Davidson T.J., Frechette E.S., Delord B., Parada I., Peng K. et al. (2015). Closed-loop optogenetic control of thalamus as a tool for interrupting seizures after cortical injury. Nat. Neurosci. 16, 64–70;
9. Van Wyk M., Pielecka-Fortuna J., Lowel S., Kleinlogel S. (2015). Restoring the ON switch in blind retinas: Opto-mGluR6, a next-generation, cell-tailored optogenetic tool. PLoS Biol. 13 (5). doi: 10.1371/journal.pbio.1002143..