Ученые смогли усилить двигательные функции головастиков с помощью света

Возможность дистанционного контроля мышечных сокращений у головастиков с помощью освещения белка-родопсина OLPVR1 установила и экспериментально проверила международная группа ученых, 8 июля сообщает журнал МФТИ «За науку».

Выявленная учеными способность OLPVR1 (родопсин органического озерного фикоднавируса) высвобождать кальций при воздействии света без изменения электрических свойств мембраны клетки может стать основой для создания новых оптогенетических инструментов.

Результат исследования свойств OLPVR1 ученые представили в статье «Нарушение внутренней динамики содержания кальция внутриклеточными вирусными родопсинами», опубликованной в журнале Nature Communications.

В международную группу исследователей вошли ученые из Франции (из Университета Лазурного берега, Университета Бордо и Университета Гренобль-Альпы), из Германии (из Института обработки биологической информации, Европейского XFEL и Университетского медицинского центра Геттингена) и из МФТИ.

Родопсины, распространенные белки клеточных мембран, встречаются во многих живых организмах — от бактерий до человека. Функции этих белков в клетках могут быть разными, но все они работают при помощи света.

Класс вирусного родопсина OLPVR1 был открыт относительно недавно. Его выявили в геноме вирусов, заражающих фитопланктон. Исследователи рассмотрели его свойства и установили, что OLPVR1 экспрессируется строго внутриклеточно в клетках млекопитающих, вызывая в них увеличение концентрации кальция пропорционально яркости освещения.

Ранее среди родопсинов такие свойства выявлены не были. Это открытие показывает неожиданный механизм взаимодействия гигантских вирусов с их хозяевами. Новый белок OLPVR1, обладающий такими функциями, может использоваться в качестве оптогенетического инструмента, например, в тех клетках, в которых существует прямая связь между внутриклеточной концентрацией кальция и клеточной функцией.

Исследователи экспериментально доказали такую возможность, продемонстрировав, как световое излучение обратимо изменяет движения хвоста головастиков лягушек.

В ходе экспериментов также было продемонстрировано, что экспрессия OLPVR1 активирует кальцийзависимые хлорные токи, достигавшие максимума в течение нескольких секунд, после чего медленно спадали во время освещения, но быстро прекращались в темноте.

Младший научный сотрудник лаборатории молекулярной клеточной биологии и оптогенетики МФТИ Всеволод Сударев рассказал о проведенном исследовании:

«В данной работе ученые рассматривают работу вирусных родопсинов. Их поведение, по большому счету, до сих пор остается загадкой. Есть гипотезы, что вирус, заходя в клетку, синтезирует особые родопсины, и они встраиваются в клетку, меняя ее поведение для масштабного распространения вируса».

Поскольку в эксперименте было установлено, что в клетках головастиков родопсин OLPVR1 инициирует при освещении клеток хлорный ток через внешнюю мембрану, то на первый взгляд кажется логичным вывод, что вирусный родопсин встраивается во внешнюю мембрану и проводит хлор.

Однако в ходе исследования выяснилось, что родопсин генерирует не хлорный ток, а внутриклеточный кальциевый. Ученые доказали это, добавив внутрь клеток фиксатор кальция, что привело к исчезновению эффекта.

Дополнительные исследования показали, что OLPVR1 встраивается в эндоплазматический ретикулум и выпускает из него внутриклеточный кальций. Тот, в свою очередь, открывает хлорные каналы на внешней мембране клеток, что и приводит к образованию хлорного тока.

«Это весьма необычное поведение, — отметил Всеволод Сударев, — как правило, родопсины не встраиваются в эндоплазматический ретикулум, а попадают на внешнюю мембрану, и этот эффект оказался очень интересным».

Эндоплазматическим ретикулумом называется замкнутая внутриклеточная мембранная структура из сообщающихся трубкообразных полостей, содержащих относительно много кальция.

Сударев пояснил, почему этот эффект так важен: «Сам кальциевый метаболизм клетки довольно хитро устроен. Концентрации кальция низкие везде, как внутри клетки, так и снаружи, но при этом сами эти концентрации могут отличаться в 100–1000 раз. В эндоплазматическом ретикулуме кальция меньше, чем во внешней среде, но его всё еще много по сравнению с внутриклеточным кальцием».

Поскольку белок OLPVR1 позволяет резко выбрасывать кальций из ретикулума внутрь клетки, то этот эффект можно использовать для передачи сигналов. «В целом в живом организме выброс кальция из эндоплазматического ретикулума регулирует большое число процессов, например, в нейронах или эритроцитах, и этот важный факт нельзя было пропустить», — указал ученый.

Поскольку для сокращения мышечной ткани практически у всех млекопитающих необходим кальций, то исследователи предположили, что открытое ими свойство OLPVR1 можно использовать для стимуляции движения млекопитающих.

«В итоге ученые опытным путем смогли воссоздать данную связь у головастиков на внутриклеточном уровне. Кроме того, модифицированные головастики реагируют на свет более активно, чем обычные. Конечно, это лишь очередной шаг в развитии оптогенетики, но он наглядно показал, что мы можем влиять на поведение животных с помощью света. В целом родопсины — это природные каналы, которые при освещении начинают пропускать через себя ионы в ту или иную сторону. Подобных каналов у нас в организме много, на них построена, в принципе, вся нервная система, и потенциально, встраивая родопсины в различные ткани, мы сможем влиять на их функционал и жизнедеятельность, восстанавливая утраченные функции. Это основная задача оптогенетики, и мы движемся в данном направлении», — подытожил свой рассказ Всеволод Сударев.