Фотоактивные ионные каналы для оптогенетики

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-15-00242

НазваниеФотоактивные ионные каналы для оптогенетики

Руководитель Бюльдт Георг, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №11 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11)

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-106 - Нейробиология

Ключевые слова оптогенетический контроль, нейрообиология, светоактивируемые мембранные белки, оптическая спектроскопия, структурная биология мембранных белков, экспресcия белка, кристаллизация мембранных белков, рентгеновская кристаллография, компьютерное моделирование мембранных белков

Код ГРНТИ34.15.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одним из важнейших технологических достижений для решения проблем современной нейробиологии является разработка принципа управления нервными клетками с помощью света. Этот метод получил название «оптогенетика». Возможность изучать механизмы процессов в нейрональных сетях и влиять на них создает задел для новых подходов к лечению различных нейродегенеративных заболеваний открывает новые возможности для изучения механизмов сложных процессов в нейрональных сетях, каких как обучение и моторная функции. В связи с появлением оптогенетики научным сообществом ожидаются принципиально новые подходы к восстановлению функции нейронов нарушенной при слепоте и глухоте, дегенерации мозга, к лечению различных других неврологических и психических расстройств, а так же к управлению поведением животных. Это область междисциплинарных исследований: здесь объединены электрофизиология, структурная биология, оптическая спектроскопия, электроника, генная и белковая инженерия (A history of optogenetics: the development of tools for controlling brain circuits with light. Edward S. Boyden. Biology Reports, 3:11. 2011). Оптогенетика позволяет в реальном времени вызывать и контролировать де-/ре-поляризацию мембран нейронов и других клеток с помощью фотоактивируемых белков, которые изменяют мембранный потенциал или вызывают внутриклеточные сигналы. Основные инструменты оптогенетики — это светочувствительные ретинальсодержащие мембранные белки, вставленные в клеточную мембрану нейронов, например посредством экспрессии с заданной локализацией. К сожалению, в настоящее время известно лишь несколько ретинальных белков пригодных для оптогенетики. К ним относятся: канальный родопсин 2 из Chlamydomonas reinhardtii (ChR2) - это неспецефичный катионный канал, который способен активировать нейроны при освещении голубым светом; галородопсин из Natronomonas pharaonis (NphR) - Cl- насос осуществляющий деактивацию нейронов с помощью желтого света и археородопсин из Halorubrum sodomense (Arch3) - H+ насос, вызывающий угнетение нейронов при желто-зелёном освещении. Так же используются H+ насос Mac из Leptosphaeria maculans и Jaws (Сruxhalorhodopsin) - Cl- насос из Haloarcula salinarum (Microbial rhodopsins in the spotlight. Christian Bamann, Georg Nagel and Ernst Bamberg. Current Opinion in Neurobiology 20:610–616. 2010). Важным аспектом для будущего прогресса является выявление и/или проектирование новых светочувствительных белков транспортёров ионов и каналов с новыми свойствами. Для развития методов оптогенетики необходимы каналы и ионные помпы с высокой селективностью и проводимостью для определённых ионов. Так ионы Na+, Ca2+, важны для функционирования нейронов, но соответствующих оптогенетических инструментов для них не существует. Так же для нужд оптогенетики крайне желателен селективный канал и помпа для К+, который является основным ионом для реполяризации и гипперполяризации нейронов (Recent advances in engineering microbial rhodopsins for optogenetics. R. Scott McIsaac et al. Current Opinion in Structural Biology. 33:8–15. 2015). Попытки изменить катионную селективность ChR2 имели ограниченный успех (Channelrhodopsin unchained: Structure and mechanism of a light-gated cation channel. Víctor A. Lórenz-Fonfría, Joachim Heberle. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Bioenergetics. Volume 1837, Issue 5, May 2014). Проводимость иона натрия составляет максимум 2x10^4 ионов/сек. ChR2 является одним из наименее эффективных каналов, несмотря на широкое использование в оптогенетике. Одной из причин ограниченности успеха является то, что молекулярный механизм прохода иона через пору, образованную аминокислотными остатками ChR2, недостаточно изучен. В настоящий момент известна лишь структура химерного ионного канала образованного пятью трансмембранными спиралями канального родопсина 1 и двумя канального родопсина 2 (С1С2, структура 3ug9 в PDB.org, Crystal structure of the channelrhodopsin light-gated cation channel. Kato H. et al. Nature. 22;482(7385):369-74. Jan 2012). Нашей целью является изучение межатомных взаимодействий иона и аминокислотных остатков ионного канала и его мутантов с использованием методов структурной биологии и молекулярного моделирования. С помощью этих методов можно понять, как повлиять на селективность процесса и получить знание того, какие мутации нужны для придания каналу строгой ионной селективности. Важной задачей на этом пути является получение структуры высокого разрешения нативного ChR2, его промежуточных состояний ChR2 и его катион-селективных мутантов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Маслов И., Богородский А., Мишин А., Охрименко И., Гущин И., Калёнов С., Денчер Н., Фальке К., Бюльдт Г., Горделий В., Генш Т., Борщевский В. Efficient non-cytotoxic fluorescent staining of halophiles Scientific reports, 8(1):2549. (год публикации - 2018)
10.1038/s41598-018-20839-7

2. Иван Охрименко, Пётр Попов, Нина Маляр, Лада Петровская, Наталья Любайкина, Дмитрий Соловьёв, Георг Бюльдт, Валентин Горделий Properties of new unexplored microbial rhodopsins VI international conference “Chemistry, structure and function of biomolecules”. Belorussia, Minsk, May 22-25, 2018. Book of Abstracts. p.52-53., VI international conference “Chemistry, structure and function of biomolecule. Belorussia, Minsk, May 22-25, 2018. Book of Abstracts. Oral Communications. p.52-53. (год публикации - 2018)

3. Дмитриева Н.И., Горделий В.И. Гетерологическая экспрессия гена родопсина Leptosphaeria maculans и его очистка Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2018», Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2018» (2018) ISBN 978-5-317-05800-5 (год публикации - 2018)

4. Рижиков Ю.Л., Рулёв М.И., Забельский Д.В., Николаев М.Ю., Муругова Т.Н., Солер-Лопез М., Куклин А.И., Энгельхард М., Горделий В.И. Small angle scattering structural study of the NpSRII/HtrII complex Book of abstracts of the conference Biomembranes 2018. October 1–5, 2018, Dolgoprudny, Russia. Journal of Bioenergetics and Biomembranes, (2018) special issue (in press), Book of abstracts of the conference Biomembranes 2018. October 1–5, 2018, Dolgoprudny, Russia. Journal of Bioenergetics and Biomembranes, (2018) special issue (in press) (год публикации - 2018)
10.1007/s10863-018-9775-7

5. Маляр Н.Л., Охрименко И.С., Петровская Л.Е., Попов П.А., Соловьёв Д.В., Алексеев А.А., Ковалёв К.В., Забельский Д.В., Чижов И.В. , Борщевский В.И., Рокицкая Т.И., Антоненко Ю.Н., Долгих Д.А., Кирпичников М.П., Горделий В.И., Бюльдт Г. Novel light-driven proton pump: functional and structural study. Book of abstracts of the conference Biomembranes 2018. October 1–5, 2018, Dolgoprudny, Russia. Journal of Bioenergetics and Biomembranes, (2018) special issue (in press), Book of abstracts of the conference Biomembranes 2018. October 1–5, 2018, Dolgoprudny, Russia. Journal of Bioenergetics and Biomembranes, (2018) special issue (in press) (год публикации - 2018)
10.1007/s10863-018-9775-7

6. Любайкина Н.А., Охрименко И.С., Волков Д., Соловьев Д., Попов П.А., Антоненко Ю.Н., Рокицкая Т.И., В.И. Горделий, Г. Бюльдт Characterization of rhodopsin from Antarctic UV-resistant bacteria Hymenobacter sp. (LR1) Journal of Bioenergetics and Biomembranes, Book of abstracts of the conference Biomembranes 2018. October 1–5, 2018, Dolgoprudny, Russia. Journal of Bioenergetics and Biomembranes, (2018) special issue (in press) (год публикации - 2018)
10.1007/s10863-018-9775-7

7. Дмитриева Н., Волков О., Шевченко В., Охрименко И., Асташкин Р., Соловьев Д., Ковалёв К., Забельский Д., Бюльдт Г., Горделий В. High-yield expression of eukaryotic light-driven pump from L.maculans in LEXSY and its spectroscopic characterization. Book of abstracts of the conference Biomembranes 2018. October 1–5, 2018, Dolgoprudny, Russia. Journal of Bioenergetics and Biomembranes, Book of abstracts of the conference Biomembranes 2018. October 1–5, 2018, Dolgoprudny, Russia. Journal of Bioenergetics and Biomembranes, (2018) special issue (in press) (год публикации - 2018)
10.1007/s10863-018-9775-7

8. В Забельский, А В Власов, Ю. Л. Рижиков, Т Н Муругова, М Бреннич, Д В Соловьёв, О И Иваньков, В И Борщевский, А В Мишин, А В Рогачёв, Раунд, Н. А. Денчер, Г. Бюльдт, В И Горделий и А. И. Куклин Ambiguities and completeness of SAS data analysis: Investigations of apoferritin by SAXS/SANS EID and SEC-SAXS methods Journal of Physics: Conf. Series, Journal of Physics: Conf. Series 994 (2018) 012017 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/994/1/012017

9. К. Ковалев, В. Половинкин, И. Гущин, А. Алексеев, В. Шевченко, В. Борщевский, Р. Асташкин, Т. Баландин, Д. Братанов, С. Ваганова, А. Попов, В. Чупин, Г. Бюльдт, Э. Бамберг, В. Горделий Structure and Mechanisms of Sodium-Pumping KR2 Rhodopsin Science Advances, Science Advances, aav2671 (год публикации - 2019)

10. Охрименко И., Попов П., Пахомова С., Зюлина В., Легкун Г., Маляр Н., Грудинин С., Горделий В. Search of new optogenetics tools by means of structural and functional characterization of novel microbial rhodopsins which reproduce mutations of already known ones The FEBS Journal, Vol: 283, Pages: 127–427 / 219 (год публикации - 2016)
10.1111/febs.13808

11. Гущин Иван, Горделий Валентин Transmembrane signal transduction in two-component systems: piston, scissoring or helical rotation? BioEssays (год публикации - 2017)
10.1002/bies.201700197

12. К.Ковалёв, В. Половинкин, И. Гущин, А. Алексеев, В. Шевченко, В. Борщевский, Р. Асташкин, Т. Баландин, Д. Братанов, С. Ваганова, А. Попов, В.Чупин, Г.Бюльдт, Ernst Bamberg, В.Горделий Structure and mechanisms of sodium-pumping KR2 rhodopsin Science Advances, Science advances. – 2019. – Т. 5. – №. 4. – С. eaav2671. (год публикации - 2019)
10.1126/sciadv.aav2671

13. Охрименко И.С., Попов П.А., Пахомова С.В., Зюлина В.О., Маляр Н.Л., Грудинин С.В., Горделий В.И. Микробные родопсины как новые инструменты для оптогенетики INTERNATIONAL SCHOOL-CONFERENCE FOR STUDENTS AND YOUNG RESEARCHERS ON STRUCTURE AND FUNCTIONS OF ION CHANNELS. сборник тезисов докладов, МГУ, 25-28 мая 2016 (год публикации - 2016)

14. Олександр Волков, Кирилл Ковалёв, Виталий Половинкин, Валентин Борщевский, Кристиан Баман, Роман Асташкин, Егор Марьин, Александр Попов, Тарас Баландин, Дитер Вильбольд, Георг Бюльдт, Эрнст Бамберг, Валентин Горделий Structural insights into ion conduction by channelrhodopsin 2 Science, Science 24 Nov 2017: Vol. 358, Issue 6366, eaan8862 (год публикации - 2017)
10.1126/science.aan8862

15. И.С.Охрименко, Н.Л.Маляр, А.А.Алексеев, Л.Е.Петровская, П.А.Попов, И.В.Чижов, Д.А.Долгих, М.П.Кирпичников, Г.Д.Бюльдт, В.И.Горделий Микробный родопсин S.paucimobilis: физико-химические свойства и функции Acta Naturae, Acta Naturae. Спецвыпуск 2017. стр. 73 (год публикации - 2017)

16. Арзуманян Г.М., Дорошкевич Н.В., Маматкулов К.З., Шашков С.Н., Зиновьев Е.В., Власов А.В., Раунд Е.С., Горделий В.И. Highly Sensitive Coherent anti-Stokes Raman Scattering Imaging of Protein Crystals Journal of the American Chemical Society, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138 (41), pp 13457–13460 (год публикации - 2016)
10.1021/jacs.6b04464

17. Кирилл Ковалёв, Виталий Половинкин, Алексей Алексеев, Виталий Шевченко, Валентин Борщевский, Роман Асташкин, Тарас Баландин, Дмитрий Братанов, Светлана Ваганова, Александр Попов, Владимир Чупин, Георг Бюльдт, Валентин Горделий Structure and mechanisms of sodium-pumping KR2 rhodopsin SCIENCE ADVANCES, Science Advances 10 Apr 2019: Vol. 5, no. 4, eaav2671 (год публикации - 2019)
10.1126/sciadv.aav2671

18. Наталья Любайкина, Иван Охрименко, Пётр Попов, Валентин Горделий, Георг Бюльдт Heterologous expression and purification of rhodopsin from radioresistant Antarctic bacterium The FEBS Journal, The FEBS Journal. Volume 284, Issue Supplement S1 September 8 2017 Page 251 (год публикации - 2017)
10.1111/febs.14174

19. Виктория Гросс, Иван Охрименко, Пётр Попов, Валентин Горделий, Георг Бюльдт Microbial rhodopsin from radioresistant Deinococus Thermus discovers unusual properties The FEBS Journal, The FEBS Journal. Volume 284, Issue Supplement S1 September 8 2017 Page 159 (год публикации - 2017)
10.1111/febs.14174

20. Ушаков А., Грудинин С., Охрименко И., Горделий В., Попов П. Knowledge-based prediction model for characterization of microbial rhodopsins for optogenetics The FEBS Journal, Vol: 236, Pages: 127–427 / 236 (год публикации - 2016)
10.1111/febs.13808

Публикации