Разработка оптогенетических инструментов нового поколения: Структура и динамика родопсинов вирусов

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 19-44-06302

НазваниеРазработка оптогенетических инструментов нового поколения: Структура и динамика родопсинов вирусов

Руководитель Шевченко Виталий Андреевич,

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

Конкурс №34 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (Helmholtz)

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-202 - Протеомика; структура и функции белков

Ключевые слова инструмент оптогенетики, селективный анионный насос, активация нейронов, кристаллическая структура белка, электрофизиология, фотоцикл

Код ГРНТИ34.15.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Успехи оптогенетики, которая произвела революцию в нейронауках, связаны в основе своей со светочувствительными белками, родопсинами. Дальнейший прогресс в этой области и смежных с ней связан с созданием широко доступного перечня родопсинов с различными фунциональными свойствами для тонкой настройки процессов передачи нервных импульсов и функционирования нейронов, а также физиологических процессов, происходящих в клетках и клеточных органеллах. Структурная информация, в том числе в динамике, о представителях классов родопсинов крайне важна для разработки новых биологических объектов -- оптогенетических инструментов нового поколения. Главной целью проекта является разработка новых оптогенетических инструментов на основе недавно открытых родопсинов вирусов, которые были найдены в геноме Organic Lake Phycodna Virus (OLPV). Затем семейство было расширено в результате метагеномного поиска. Семейство родосинов вирусов распадается на две подгруппы, I и II. Предварительные данные о структуре и данные молекулярной динамики показывают, что у этих родопсинов необычная пентамерная структура с узким 5-ангстремным каналом, который создается субъединицами пентамера. Канал соединен с областью основания Шиффа протомеров посредством водородных связей. Функциональные свойства этих белков не изучены, однако, судя по нашим данным, можно предположить, что родопсин вирусов из подгруппы II -- это первый светочувствительный канал, который в общем достаточно похож на каналы управляемые лигандами. Таким образом, светочувствительные пентамерные каналы -- это идеальные кандидаты, чтобы стать уникальными оптогенетическими инструментами с высокой селективностью по ионам и улучшенной работой в эукариотической мембране. Кроме того, предполагается, что гигантские вирусы играют важную роль в зарождении жизни и эволюции, таким образом понимание того, почему у вирусов возникли гены родопсинов позволит ответить на ряд вопросов эволюции. Основываясь на нашем опыте в области микробных родопсинов (Gordeily et al. Nature 2002, Mukhametzianov et al. Nature 2006, Gushchin et al. Nature Struct. & Mol. Biology 2015, Shevchenko et al. Science Advances 2017, Volkov et al. Science 2017) мы ставим себе целью инжиниринг селективных светочувствительных каналов на основе родопсинов вирусов. В ходе выполнения проекта мы сфокусируемся на функциональной и структурной характеризации представителей обоих подгрупп родопсинов вирусов. За этим последуют оптогенетические in vivo эксперименты с самыми перспективными кандидатами. Мы придерживаемся мультидисциплинарного подхода, включающего в себя биофизическую и биохимическую характеризацию белков, традиционную и время-разрешенную рентгеновскую кристаллографию на установках PETRAIII и EuXFEL в Гамбурге, методы криоэлектронной микроскопии и биоинформатики.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Братанов Д., Ковалев К., Махтенс Ж., Асташкин Р., Чижов И., Соловьев Д., Волков Д., Половинкин В., Забельский Д., Магер Т., Гущин И., Рокицкая Т., Антоненко Ю., Алексеев А., Шевченко В.,Ютина Н., Роселли Р., Бакен К., Борщевский В., Буренков Г., Попов А. Unique structure and function of viral rhodopsins Nature Communications, 10, Article number: 4939 (год публикации - 2019)
10.1038/s41467-019-12718-0

2. Забельский Д.М., Алексеев А.А., Ковалёв К.В. и др. Viral rhodopsins 1 are a unique family of light-gated cation channels Nature Communications (год публикации - 2020)
10.1038/s41467-020-19457-7

3. Забельский Д., Дмитриева Н., Волков О., Шевченко В. и др. Structure-based insights into evolution of rhodopsins Communications Biology, volume 4, issue 1, pages 1-12 (год публикации - 2021)
10.1038/s42003-021-02326-4

4. Борщевский В., Ковалёв К., Раунд Е., Ефремов Р., Асташкин Р., Буренков Г., Братанов Д., Баландин Т., Чижов И., Бакен К., Гущин И., Кузьмин А., Алексеев А., Рогачёв А., Вильбольд Д., Энгельгард М., Бамберг Э., Бюльдт Г., Горделий В. Ultrahigh-Resolution Insights into the Structure and Functional Role of Linear Chains and Low-Barrier Hydrogen Bonds in Proteins Nature Structural and Molecular Biology (год публикации - 2022)

5. Мельников И., Орехов Ф., Рулёв М., Ковалёв К., Асташкин Р., Братанов Д., Рижиков Ю, Баландин Т., Бухдрукер С., Охрименко И., Борщевский В., Буренков Г., Мюллер-Дикман К., ван дер Линден П., Карпентьер П., Леонард Г., Горделий В., Попов А. High-pressure crystallography unravels noble gas intervention into protein-lipid interaction and suggests a model for anaesthetic action Communications Biology (год публикации - 2022)

Публикации