揭示了主要的光遗传学工具的结构

莫斯科物理技术学院，ForschungszentrumJülich，欧洲同步加速器辐射设施，结构生物学研究所和马克斯·普朗克生物物理研究所的国际研究人员小组确定了通道膜紫红蛋白2(一种膜蛋白)的3-D结构。广泛用于光遗传学中以控制光的神经细胞。

光遗传学是一种相对较新的技术，涉及使用光来操纵生物体中的神经和肌肉细胞。类似的方法可用于部分逆转听力和视力丧失，并控制肌肉收缩。

此外，光遗传学方法还用于研究自然神经元网络的特性，这些特性负责情绪，决策和其他生物体的复杂过程。光遗传学被《自然》杂志评为“ 2010年度方法”，并被《科学》杂志评为“ 2010年突破和十年洞察力”。

Channelrhodopsin 2(ChR2)是主要的光遗传学工具。它是一种对光敏感的蛋白质，最初是在2003年从一种叫做藻类衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的绿藻中提取的。科学家可以将ChR2插入活细胞的膜中以控制它。当被照射时，这种蛋白质允许带正电的离子通过细胞膜进入细胞。在神经细胞中，这会使膜去极化，从而模仿神经冲动的作用并引起该特定神经元的放电。

由于ChR2的工作速度快且对细胞无害，因此它是目前激活神经细胞的首选解决方案。一系列人工诱导的突变可用于改变蛋白质的特性。例如，可以增加其产生的电流或改变其响应的光的波长。这种修饰使实验者能够使用适合其需求的蛋白质。研究人员甚至可以结合几种蛋白质变体，以在各种波长的光下产生不同的响应。

到目前为止，用于修饰ChR2特性的大多数突变或多或少都是随机引入的-通过定向进化或基于已知蛋白质结构的数据。我们最接近真实的ChR2结构的是一种奇怪的组合，称为C1C2，其中70%是基于ChR1(相关蛋白)，其余的都是基于实际的ChR2。这种混合结构不能解释蛋白质的所有特性。结果，该模型预测的突变不是很现实，因此对光遗传学的兴趣有限。

为了揭示ChR2的结构，在此故事中报道的研究作者使用了一种称为X射线衍射的分析技术，该技术仅适用于晶体形式的样品。这些是由研究人员通过内观结晶获得的。也就是说，蛋白质晶体是在所谓的立方脂质中间相中生长的，这种中间相使蛋白质可以自由移动而不离开膜。为了确定蛋白质的结构，用大约1埃的波长的X射线照射其晶体，该波长略小于蛋白质中原子之间的键的长度。在X射线晶体学中，通过分析样品如何散射辐射来得出结构。

Valentin Borshchevskiy说：“尝试解决ChR2的结构可以追溯到2003年发现之时。但是，尽管来自世界各地的众多研究小组做出了努力，但其天然状态的蛋白质的结构仍然未知。”是论文的作者之一，也是MIPT膜蛋白高级研究实验室的副主任。“现在我们有了结构，可以将有意义的突变引入蛋白质中，以根据特定实验的要求调整其性质。由于不知道其结构，我们不得不通过反复试验来繁琐地找出有用的突变，或者利用相关蛋白质的数据。”

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