Анионпроводящий канал родопсин - Anion-conducting channelrhodopsin

Структура iChloC
Рисунок 1. Для создания потребовалось 5 точечных мутаций. iChloC из катионопроводящих Каналродопсин-2.[1]

Анионпроводящие каналы родопсины светозатратны. ионные каналы которые открываются под действием света и позволяют отрицательно заряженным ионам (например, хлориду) проникать в клетку. Все канал родопсины использовать сетчатка как светочувствительный пигмент, но они различаются ионной селективностью. Анион-проводящие каналы родопсины используются в качестве инструментов для управления мозговой деятельностью мышей и плодовых мушек (Оптогенетика ). Нейроны, экспрессирующие анион-проводящие каналы родопсинов, заглушаются при освещении светом - эффект, который был использован для исследования обработки информации в головном мозге. Например, подавление дендритные шипы кальция в определенных нейронах со светом снижена способность мышей воспринимать легкое прикосновение к усам.[2] Изучение того, как меняется поведение животных, когда определенные нейроны заглушаются, позволяет ученым определить роль этих нейронов в сложных цепях, контролирующих поведение.

Первые анионпроводящие каналы родопсины были созданы из катионпроводящих светозатворных каналов. Каналродопсин-2 путем удаления отрицательно заряженных аминокислот из поры канала (рис. 1).[3] В качестве основного аниона внеклеточной жидкости хлорид (Cl−), анион-проводящие канальные родопсины также известны как «хлорид-проводящие канальные родопсины» (ChloCs). Встречающиеся в природе анион-проводящие канальные родопсины (ACR) были впоследствии идентифицированы в криптофит водоросли.[4][5][6] Кристаллическая структура природного GtACR1 недавно была решена, что открыло путь для дальнейшей белковой инженерии.[7][8]

Варианты

имявид происхожденияпоглощениессылкасвойства, приложения
slowChloCChlamydomonas reinhardtiiсинийWietek et al. 2014 г.[3]первое поколение, смешанная проводимость
iC1C2Chlamydomonas reinhardtiiсинийBerndt et al. 2014 г.[9]первое поколение, смешанная проводимость
iChloCChlamydomonas reinhardtiiсинийWietek et al. 2015 г.[1]угнетение восприятия у мышей[2]
iC ++Chlamydomonas reinhardtiiсинийBerndt et al. 2016 г.[10]подавление сна у мышей[11]
GtACR1Гиллардия тетазеленыйГоворунова и др. 2015 г.[4]торможение поведения в Дрозофила[12][13] подавление крысы клетки сердечной мышцы[14] подавление голографических спайков в коре головного мозга мыши[15]
GtACR1 (C102A)Гиллардия тетазеленый на

красный

Говорунова и др. 2018 г.[6]бистабильный
GtACR1 (R83Q / N239Q) FLASHГиллардия тетазеленый наКато и др. 2018 г.[7]очень быстрое замыкание, большие токи

запрет на плавание в C. elegans, ингибирование спайков у мышей[7]

GtACR2Гиллардия тетасинийГоворунова и др. 2015 г.[4]торможение поведения в Дрозофила[12] подавление угасания страха у мышей[16]
PsACR1Proteomonas sulcataзеленыйWietek et al. 2016,[17] Говорунова и др. 2016 г.[18]большие токи
ZipACRProteomonas sulcataзеленыйГоворунова и др. 2017 г.[5]очень быстро
RapACRRhodomonas salinaзеленыйГоворунова и др. 2018 г.[6]очень быстрые, большие токи
SwiChR ++Chlamydomonas reinhardtiiсиний на

красный

Berndt et al. 2016 г.[10]бистабильный
Фобос КАChlamydomonas reinhardtiiсиний на

красный

Wietek et al. 2017 г.[19]бистабильный
АврораChlamydomonas reinhardtiiОранжево-красныйWietek et al. 2017 г.[19]остановить движение Дрозофила личинки

Приложения

Анион-проводящие родопсины (ACR) использовались в качестве оптогенетический инструменты для подавления нейрональной активации. При экспрессии в нервных клетках ACR действуют как светозависимые. хлоридные каналы. Их влияние на активность нейрона сопоставимо с ГАМКА рецепторы, лиганд-управляемые хлоридные каналы, обнаруженные в тормозные синапсы: Поскольку концентрация хлоридов в зрелых нейронах очень низкая, освещение приводит к внутреннему потоку отрицательно заряженных ионов, зажимая нейрон у хлорида. обратный потенциал (- 65 мВ). В этих условиях возбуждающие синаптические входы не могут эффективно деполяризовать нейрон. Этот эффект известен как подавление шунтирования (в отличие от торможения гиперполяризация ). Освещение дендрит предотвращает образование дендритные шипы кальция при освещении целых блоков нейронов потенциал действия инициирование в ответ на сенсорную стимуляцию.[2][1] Терминалы Axon однако имеют более высокую концентрацию хлоридов и поэтому возбуждаются ACR.[20] Чтобы подавить нейроны с широкопольным освещением, оказалось полезным ограничить ACR соматическим компартментом (варианты ST).[16][15]

Благодаря высокой светочувствительности ACR можно активировать при слабом свете, который не мешает зрительной стимуляции даже у очень маленьких животных, таких как плодовая муха. Дрозофила.[13]

дальнейшее чтение

Neuron Review (2017): Отключение нейронов: инструменты, приложения и экспериментальные ограничения[21]

Основные моменты исследования: лучший способ выключить нейроны[22]

Перспектива: расширение инструментария оптогенетики[23]

Связанный: Галородопсин, управляемый светом хлорид насос

Рекомендации

  1. ^ а б c Витек, Йонас; Бельтрамо, Риккардо; Сканциани, Массимо; Гегеманн, Питер; Oertner, Thomas G .; Вигерт, Дж. Саймон (07.10.2015). «Улучшенный хлорид-проводящий канал родопсин для индуцированного светом ингибирования нейрональной активности in vivo». Научные отчеты. 5: 14807. Дои:10.1038 / srep14807. ISSN  2045-2322. ЧВК  4595828. PMID  26443033.
  2. ^ а б c Такахаши, Наоя; Oertner, Thomas G .; Гегеманн, Питер; Ларкум, Мэтью Э. (23 декабря 2016 г.). «Активные корковые дендриты модулируют восприятие». Наука. 354 (6319): 1587–1590. Дои:10.1126 / science.aah6066. ISSN  0036-8075. PMID  28008068. S2CID  28317052.
  3. ^ а б Витек, Йонас; Вигерт, Дж. Саймон; Адеишвили, Нона; Шнайдер, Франциска; Ватанабэ, Хироши; Tsunoda, Satoshi P .; Фогт, Аренд; Эльстнер, Маркус; Oertner, Thomas G .; Хегеманн, Питер (2014-04-25). «Превращение Channelrhodopsin в Light-Gated Chloride Channel». Наука. 344 (6182): 409–412. Дои:10.1126 / science.1249375. ISSN  0036-8075. PMID  24674867. S2CID  206554245.
  4. ^ а б c Говорунова Елена Г .; Синещеков Олег А .; Янц, Роджер; Лю, Сяоцинь; Спудич, Джон Л. (2015-08-07). «Естественные светозащитные анионные каналы: семейство микробных родопсинов для продвинутой оптогенетики». Наука. 349 (6248): 647–650. Дои:10.1126 / science.aaa7484. ISSN  0036-8075. ЧВК  4764398. PMID  26113638.
  5. ^ а б Говорунова Елена Г .; Синещеков Олег А .; Rodarte, Elsa M .; Янц, Роджер; Морелль, Оливье; Мелконян, Майкл; Wong, Gane K.-S .; Спудич, Джон Л. (2017-03-03). «Расширяющееся семейство родопсинов с естественным анионным каналом показывает большие вариации кинетики, проводимости и спектральной чувствительности». Научные отчеты. 7: 43358. Дои:10.1038 / srep43358. ISSN  2045-2322. ЧВК  5335703. PMID  28256618.
  6. ^ а б c Говорунова Елена Г .; Синещеков Олег А .; Хеммати, Рахеле; Янц, Роджер; Морелль, Оливье; Мелконян, Майкл; Wong, Gane K.-S .; Спудич, Джон Л. (2018-05-01). «Расширение временной области нейронного молчания с помощью криптофитных анионных каналов родопсинов». eNeuro. 5 (3): ENEURO.0174–18.2018. Дои:10.1523 / ENEURO.0174-18.2018. ISSN  2373-2822. ЧВК  6051594. PMID  30027111.
  7. ^ а б c Kato, Hideaki E .; Ким, Юн Сок; Пагги, Джозеф М .; Evans, Kathryn E .; Аллен, Уильям Э .; Ричардсон, Клэр; Иноуэ, Кейчи; Ито, Шота; Рамакришнан, Чару (2018-08-29). «Структурные механизмы селективности и стробирования в анионных каналах родопсинов». Природа. 561 (7723): 349–354. Дои:10.1038 / s41586-018-0504-5. ISSN  0028-0836. ЧВК  6317992. PMID  30158697.
  8. ^ Ким, Юн Сок; Kato, Hideaki E .; Ямасита, Кейтаро; Ито, Шота; Иноуэ, Кейчи; Рамакришнан, Чару; Fenno, Lief E .; Evans, Kathryn E .; Пагги, Джозеф М. (29 августа 2018 г.). «Кристаллическая структура природного анионпроводящего канала родопсина GtACR1». Природа. 561 (7723): 343–348. Дои:10.1038 / s41586-018-0511-6. ISSN  0028-0836. ЧВК  6340299. PMID  30158696.
  9. ^ Берндт, Андре; Ли, Су Ён; Рамакришнан, Чару; Дейссерот, Карл (25 апреля 2014 г.). «Структурно-управляемое превращение канального родопсина в светоактивированный хлоридный канал». Наука. 344 (6182): 420–424. Дои:10.1126 / science.1252367. ISSN  0036-8075. ЧВК  4096039. PMID  24763591.
  10. ^ а б Берндт, Андре; Ли, Су Ён; Витек, Йонас; Рамакришнан, Чару; Steinberg, Elizabeth E .; Рашид, Асим Дж .; Ким, Хосок; Парк, Сунгмо; Санторо, Адам (26.01.2016). «Структурные основы оптогенетики: детерминанты канальной селективности по иону родопсина». Труды Национальной академии наук. 113 (4): 822–829. Дои:10.1073 / pnas.1523341113. ISSN  0027-8424. ЧВК  4743797. PMID  26699459.
  11. ^ Чунг, Синдзэ; Вебер, Франц; Чжун, Пэн; Тан, Чан Лек; Нгуен, Тхук Нги; Байер, Кевин Т .; Хёрманн, Николай; Чанг, Вэй-Чэн; Чжан, Чжэ (2017). «Идентификация нейронов преоптического сна с использованием ретроградной маркировки и профилирования генов». Природа. 545 (7655): 477–481. Дои:10.1038 / природа22350. ЧВК  5554302. PMID  28514446.
  12. ^ а б Мохаммад, Фархан; Стюарт, Джеймс С; Отт, Станислав; Хлебикова, Катарина; Чуа, Цзя Йи; Ко, Тонг-Вей; Хо, Джозес; Кларидж-Чанг, Адам (2017). «Оптогенетическое ингибирование поведения с помощью анионных каналов родопсинов». Методы природы. 14 (3): 271–274. Дои:10.1038 / nmeth.4148. PMID  28114289. S2CID  4133602.
  13. ^ а б Mauss, Alex S .; Буш, Кристиан; Борст, Александр (23.10.2017). «Оптогенетическое нейронное молчание у дрозофилы во время обработки изображений». Научные отчеты. 7 (1): 13823. Дои:10.1038 / s41598-017-14076-7. ISSN  2045-2322. ЧВК  5653863. PMID  29061981.
  14. ^ Говорунова Елена Г .; Cunha, Shane R .; Синещеков Олег А .; Спудич, Джон Л. (15.09.2016). «Анионный канал родопсинов для ингибиторной кардиальной оптогенетики». Научные отчеты. 6 (1): 33530. Дои:10.1038 / srep33530. ISSN  2045-2322. ЧВК  5024162. PMID  27628215.
  15. ^ а б Mardinly, Alan R .; Ольденбург, Ян Антон; Pégard, Nicolas C .; Шридхаран, Савитха; Lyall, Evan H .; Чеснов, Кирилл; Brohawn, Стивен Дж .; Уоллер, Лаура; Адесник, Гилель (30.04.2018). «Точный мультимодальный оптический контроль активности нейронного ансамбля». Природа Неврология. 21 (6): 881–893. Дои:10.1038 / s41593-018-0139-8. ISSN  1097-6256. ЧВК  5970968. PMID  29713079.
  16. ^ а б Ман, Матиас; Гибор, Лихи; Малина, Катаюн Коэн-Каши; Патил, Притиш; Принц, Йоав; Оринг, Шир; Леви, Ривка; Лэмпл, Илан; Ижар, Офер (2018). «Высокоэффективное оптогенетическое подавление с помощью сома-нацеленных анионопроводящих каналов родопсинов». Nature Communications. 9 (1): 4125. Дои:10.1038 / s41467-018-06511-8. ЧВК  6175909. PMID  30297821.
  17. ^ Витек, Йонас; Брозер, Матиас; Krause, Benjamin S .; Хегеманн, Питер (2016-02-19). «Идентификация естественного зеленого светопоглощающего хлорида, проводящего каналродопсин, из Proteomonas sulcata». Журнал биологической химии. 291 (8): 4121–4127. Дои:10.1074 / jbc.M115.699637. ISSN  0021-9258. ЧВК  4759187. PMID  26740624.
  18. ^ Говорунова Елена Г .; Синещеков Олег А .; Спудич, Джон Л. (2016-02-01). «Proteomonas sulcata ACR1: родопсин с быстрым анионным каналом». Фотохимия и фотобиология. 92 (2): 257–263. Дои:10.1111 / php.12558. ЧВК  4914479. PMID  26686819.
  19. ^ а б Витек, Йонас; Родригес-Розада, Сильвия; Тутас, Жанин; Тендини, Федерико; Гримм, Кристиана; Oertner, Thomas G .; Соба, Питер; Гегеманн, Питер; Вигерт, Дж. Саймон (ноябрь 2017 г.). «Анион-проводящие каналы родопсинов с настроенными спектрами и модифицированной кинетикой, разработанные для оптогенетических манипуляций с поведением». Научные отчеты. 7 (1): 14957. Дои:10.1038 / с41598-017-14330-у. ISSN  2045-2322. ЧВК  5668261. PMID  29097684.
  20. ^ Ман, Матиас; Пригге, Матиас; Рон, Шири; Леви, Ривка; Ижар, Офер (2016). «Биофизические ограничения оптогенетического торможения на пресинаптических окончаниях». Природа Неврология. 19 (4): 554–556. Дои:10.1038 / номер 4266. ЧВК  4926958. PMID  26950004.
  21. ^ Вигерт, Дж. Саймон; Ман, Матиас; Пригге, Матиас; Принц, Йоав; Ижар, Офер (2017). "Выключение нейронов: инструменты, приложения и экспериментальные ограничения". Нейрон. 95 (3): 504–529. Дои:10.1016 / j.neuron.2017.06.050. ЧВК  5830081. PMID  28772120.
  22. ^ Еванко, Даниэль (2014). «Неврология: лучший способ выключить нейроны». Методы природы. 11 (6): 608. Дои:10.1038 / nmeth.2988. S2CID  1699434.
  23. ^ Берндт, Андре; Дейссерот, Карл (07.08.2015). «Расширение инструментария оптогенетики». Наука. 349 (6248): 590–591. Дои:10.1126 / science.aac7889. ISSN  0036-8075. ЧВК  4776750. PMID  26250674.