Международная группа ученых изучила свойства белка-родопсина OLPVR1 и продемонстрировала, что при освещении он способен выпускать кальций из эндоплазматического ретикулума клеток. Этого оказалось достаточно для дистанционного контроля мышечных сокращений у головастиков, что и было апробировано в лабораторных экспериментах. Способность OLPVR1 высвобождать кальций с помощью света без изменения электрических свойств мембраны может привести к созданию новых оптогенетических инструментов на его основе. Результат исследования опубликован в журнале Nature Communications.
В работе принимали участие ученые из Университета Лазурного Берега (Ницца), Университета Бордо и Университета Гренобль-Альпы, Франция, их коллеги из Института обработки биологической информации (Юлих), Европейского XFEL, Университетского медицинского центра Геттингена, Германия.
Родопсины — весьма распространенные мембранные белки. Они встречаются во многих живых организмах, от бактерий до человека. Хотя функции этих белков могут быть разными, все имеют общее свойство — они работают при помощи света. Также многие родопсины являются переносчиками ионов.
В своей работе ученые рассмотрели свойства вирусного родопсина OLPVR1, относительно недавно открытого класса, обнаруженного в геноме вирусов, которые заражают фитопланктон. Они продемонстрировали, что OLPVR1 экспрессируется строго внутриклеточно в клетках млекопитающих и вызывает увеличение концентрации кальция пропорционально яркости освещения. Такой функционал ранее не встречался среди родопсинов и открывает неожиданный механизм взаимодействия гигантских вирусов с их хозяевами. Новый белок также может быть использован как оптогенетический инструмент в определенных клетках, например если в них существует прямая связь между внутриклеточной концентрацией кальция и клеточной функцией. В качестве доказательства такого применения ученые экспериментально показали, что световое излучение обратимо изменяет движения хвоста головастиков лягушек.
Также эксперименты показали, что экспрессия OLPVR1 активирует кальций-зависимые хлорные токи, которые достигали максимума в течение нескольких секунд, медленно спадали во время освещения и быстро исчезали в темноте.
«В данной работе ученые рассматривают работу вирусных родопсинов. Их поведение, по большому счету, до сих пор остаётся загадкой. Есть гипотезы, что вирус, заходя в клетку, синтезирует особые родопсины, и они встраиваются в клетку, меняя ее поведение для масштабного распространения вируса.
Экспрессировав в клетках головастиков родопсин OLPVR1, ученые обнаружили наличие некоего хлорного тока через внешнюю мембрану, который появлялся при освещении клеток. Из этого можно сделать на первый взгляд логичный вывод, что вирусный родопсин встраивается во внешнюю мембрану и проводит хлор. Но природа как всегда оказалась сложнее. В ходе исследования выяснилось, что родопсин генерирует не хлорный ток, а внутриклеточный кальциевый. Когда ученые стали добавлять внутрь клеток фиксатор кальция, этот эффект пропал», — рассказал об исследовании Всеволод Сударев, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной клеточной биологии и оптогенетики МФТИ.
Проведя дополнительные исследования, ученые выяснили, что OLPVR1 встраивается в эндоплазматический ретикулум и выпускает из него внутриклеточный кальций. Кальций, в свою очередь, открывает хлорные каналы на внешней мембране клеток, изначально экспрессируемых клетками. Отсюда и происходит образование хлорного тока.
«Это весьма необычное поведение: как правило, родопсины не встраиваются в эндоплазматический ретикулум, а попадают на внешнюю мембрану, и этот эффект оказался очень интересным. Эндоплазматический ретикулум — замкнутая внутриклеточная мембранная структура, состоящая из сообщающихся трубкообразных полостей, внутри нее относительно много кальция. Почему это так важно? 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 все еще много по сравнению с внутриклеточным кальцием. Исследуемый белок позволяет резко выбрасывать кальций из ретикулума внутрь клетки, и это делает возможной передачу 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», — отметил Всеволод Сударев.
Изучив механизм выброса кальция, ученые предположили, что данный процесс может способствовать стимуляции движения млекопитающих, так как для сокращения мышечной ткани необходим кальций. При работе мышц происходит выброс кальция, из-за чего мышцы и сокращаются. Это наблюдается практически у всех 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 Всеволод Сударев.
