Раскрыт механизм переноса натрия через мембранную стенку под воздействием света — Naked Science
15 минут
ФизТех

Раскрыт механизм переноса натрия через мембранную стенку под воздействием света

4.8

Международная группа ученых впервые получила структуру светочувствительного белка-транспортера натрия KR2 в активном состоянии. Это позволило описать механизм переноса ионов натрия через клеточную мембрану под воздействием света.

Модель белка родопсина / ©www.eurekalert.org

Работа ученых опубликована в одном из самых престижных научных журналов — Nature Communications. KR2 принадлежит к огромному семейству микробных родопсинов — светочувствительных белков, находящихся в клеточной мембране архей, бактерий, вирусов и эукариот. Эти белки способны выполнять широкий спектр функций, но наиболее интересной является перенос различных ионов через мембрану под воздействием света.

Именно такие ионные каналы и насосы являются инструментами оптогенетики — одной из самых актуальных биомедицинских дисциплин, позволяющей управлять активностью различных типов клеток организма при облучении их светом. Широкую известность оптогенетика обрела благодаря значительному вкладу в развитие методов минимально инвазивных исследований мозга, а также лечения таких нейродегенеративных заболеваний, как болезни Альцгеймера, Паркинсона, и других. Более того, сегодня оптогенетика позволяет восстанавливать потерянные слух, зрение и мышечную активность.

К сожалению, несмотря на описанные успехи, развитие оптогенетики усложняется ограниченным набором белков, которые могут быть использованы для активации и ингибирования клеток организма. К примеру, наиболее широко используемый инструмент оптогенетики — канальный родопсин 2 — способен одновременно транспортировать ионы натрия, калия и кальция, а также протоны.

Его структура была впервые получена научными сотрудниками и выпускниками МФТИ и опубликована в ведущем научном издании Science. Низкая «избирательность» этого белка приводит к появлению нежелательных вторичных (побочных) эффектов при работе с клетками. Таким образом, оптимизация протоколов использования оптогенетических инструментов на сегодняшний день требует огромного количества средств и времени.

Поиск новых, более селективных белков для оптогенетики является приоритетным направлением в этой области исследований. Родопсин KR2, найденный в 2013 году, является уникальным оптогенетическим инструментом, так как позволяет при физиологических условиях избирательно переносить через клеточную мембрану исключительно ионы натрия. Понимание механизмов его работы очень важно для оптимизации функциональных характеристик этого белка, а также для создания на его основе новых оптогенетических инструментов.

Биофизики МФТИ в 2015 и 2019 годах опубликовали первые структуры KR2 в различных формах. В том числе они показали, что белок формирует пентамеры, находясь в мембране. Более того, образование таких комплексов необходимо для функционирования родопсина. Однако во всех описанных авторами моделях белок находился в неактивированном, то есть основном состоянии.

Для понимания принципов транспорта ионов через мембрану была необходима также структура активного состояния белка, так как натрий переносится родопсином только после активации последнего светом. Именно такая кристаллическая структура высокого разрешения и была получена и описана учеными.

Спектроскопия родопсина KR2 / ©www.nature.com

«Изначально мы использовали классический подход, активируя KR2 в заранее выращенных белковых кристаллах, освещая их лазером и фиксируя активное состояние путем быстрой заморозки кристалла при 100К, — рассказывает первый автор работы, аспирант МФТИ Кирилл Ковалев. — Нам повезло, ведь зачастую подобные манипуляции приводят к разрушению кристаллов. Для избежания этого нам пришлось аккуратно подбирать длину волны и мощность лазерного излучения, а также регулировать время засветки».

Такие эксперименты требуют большого количества белковых кристаллов высокого качества. Уникальное оборудование Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ позволило провести массивную кристаллизацию родопсина KR2.

Наиболее значимой находкой исследователей стала идентификация аминокислотных остатков белка, связывающих ион натрия внутри молекулы KR2. Именно они определяют селективность родопсина к определенному типу ионов. Кроме того, структура активного состояния высокого разрешения (2.1Å) позволила определить точную конфигурацию сайта связывания иона натрия в активном центре белка.

Ученые впервые показали, что сайт связывания, образуемый KR2, идеально оптимизирован к ионам натрия в ходе эволюции родопсинов. Таким образом, именно полученная структура активного состояния должна использоваться для рационального дизайна оптогенетических инструментов нового поколения на основе KR2.

«Позже в ходе работы мы получили структуру KR2 в активном состоянии при комнатной температуре, — продолжает Кирилл Ковалев. — Для этого нам пришлось модернизировать известные протоколы сбора кристаллографических данных. Также мы воспользовались набирающими популярность методами серийной кристаллографии на источнике синхротронного излучения».

Структура активного состояния KR2, полученная при комнатной температуре, подтвердила верность модели белка, определенной ранее при низкой температуре. Это помогло ученым напрямую продемонстрировать, что криозаморозка не влияет на внутреннее устройство родопсина.

Пентамер родопсина KR2 в клеточной мембране (синие диски) в активном состоянии (слева). Сайт связывания натрия в активном центре белка (справа). Расстояния до координирующих натрий атомов кислорода указаны в ангстремах. Карта электронной плотности показана черной сеткой. Ион натрия показан фиолетовой сферой / ©Кирилл Ковалев / Пресс-служба МФТИ

Полученные структуры позволили впервые описать механизм активного транспорта ионов натрия через клеточную мембрану под действием света. Так, исследователи показали, что перенос натрия родопсином наиболее вероятно осуществляется по гибридному механизму, включающему в себя принципы как эстафетного транспорта протонов, так и пассивной диффузии ионов через полярные полости в белке. Предложенный авторами механизм был подтвержден с помощью функциональных исследований мутантных форм KR2, а также компьютерного моделирования процесса высвобождения ионов натрия из белка.

«Транспорт ионов через мембранную стенку — фундаментальный биологический процесс. При этом перенос ионов натрия должен иметь принципиально иной механизм, чем таковой для протонов, — поясняет Валентин Горделий, директор исследований в Институте структурной биологии в Гренобле и научный координатор Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний в МФТИ. — Мы впервые увидели, как ион натрия связывается внутри молекулы родопсина, а также показали механизм выброса ионов в межклеточное пространство».

Авторы уверены, что результаты их работы не только раскрывают фундаментальные принципы, лежащие в основе ионного транспорта через клеточную мембрану, но и имеют практическую пользу для нужд оптогенетики. Ученые МФТИ продолжают разработку оптимизированных форм белка KR2 для расширения арсенала методов изучения головного мозга и лечения нейродегенеративных заболеваний.

В работе принимали участие ученые из Московского физико-технического института (МФТИ), Института структурной биологии Гренобльского университета и Европейского ускорительного комплекса в Гренобле (Франция), Юлихского исследовательского центра, Аахенского университета, Института Макса Планка, Европейской лаборатории молекулярной биологии (Германия), а также источника синхротронного излучения ALBA (Испания). Работа была поддержана Министерством науки и высшего образования РФ и Российским фондом фундаментальных исследований.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
212 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
28 февраля
75 минут
Редакция

Наверное, еще с того момента, как первые наши прапрапредки обрели сознание, человек боялся смерти и искал пути ее предотвратить или отсрочить. Древний человек жаждал утешения в представлениях о загробном мире, позже алхимики пытались изобрести зелья, которые помогли бы достичь бессмертия. С развитием науки ученые стремились понять, как работает наша смертность на клеточном уровне и еще глубже – и можно ли серьезно изменить отмеренный человеку век. Именно о теломерах часто говорят как о некоем секрете долголетия, том самом волшебном рычаге в ДНК, который может прибавить один-два десятка лет к нашей жизни. Так ли это?

Сегодня, 08:54
8 минут
Мария Азарова

Хотите увидеть ожившего Шекспира или подмигивающую вам госпожу Лизу дель Джокондо? С немного пугающей всех нас технологией deepfake это можно сделать всего за пару минут.

28 февраля
4 минуты
Мария Азарова

Айсберг по своим размерам почти в два раза превышает площадь Нью-Йорка. Хотя рекордсменом его и не назовешь (летом 2017 года от ледника Ларсена откололся действительно гигантский айсберг A68), ученые планируют продолжать наблюдения.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

23 февраля
4 минуты
Виктория Сафронова

Звук — шум от передвижения марсохода — записан одним из его микрофонов.

24 февраля
10 минут
Мария Азарова

Ученые провели анализ по 353 профессиям и оценили, насколько различия в статусе потребления алкоголя можно объяснить родом занятий.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

2 февраля
44 минуты
Александр Березин

В научном журнале The Lancet появились итоги клинических испытаний «Спутника-V», и на первый взгляд эта публикация — триумф. Российская вакцина показала эффективность выше, чем у Pfizer и Moderna. Увы, на этом хорошие новости закончились. Плохих две.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: