光學(xué)遺傳學(xué)發(fā)展解析出紫紅質(zhì)通道蛋白2的三維結(jié)構(gòu)

紫紅質(zhì)通道蛋白2（channelrhodopsin 2, ChR2）是一種廣泛用于光遺傳學(xué)技術(shù)（optogenetics）的膜蛋白。光遺傳學(xué)技術(shù)是一種相對較新的技術(shù)，涉及利用光來操縱活的有機(jī)體中的神經(jīng)元和肌肉細(xì)胞。類似的方法已被用來部分地逆轉(zhuǎn)聽力/視力喪失和控制肌肉收縮。

ChR2是一種主要的光遺傳學(xué)工具。它是一種光敏蛋白，2003年它**是從一種被稱作萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的綠藻中提取出來的。科學(xué)家們能夠?qū)hR2插入到活細(xì)胞的膜中來控制它。當(dāng)利用光線照射時，這種蛋白允許帶正電的離子穿過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞中。在神經(jīng)元中，這會讓它的細(xì)胞膜去極化，從而模擬神經(jīng)沖動的影響和導(dǎo)致這種特定的神經(jīng)元放電。

鑒于ChR2較快地發(fā)揮作用，對細(xì)胞相對無害，因此它當(dāng)前被用來激活神經(jīng)元。一系列人為誘導(dǎo)的突變能夠改變這種蛋白的性質(zhì)。比如，增加它產(chǎn)生的電流或者改變它作出反應(yīng)的光線波長是可行的。這些修飾能夠讓實驗者根據(jù)需要量身定制蛋白。人們甚至能夠?qū)追N對不同波長的光線作出反應(yīng)的蛋白變體組合使用。

迄今為止，用于修飾ChR2性質(zhì)的大多數(shù)突變或多或少是通過定向進(jìn)化或已知的蛋白結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)隨機(jī)引入的。人們獲得的最接近于ChR2實際結(jié)構(gòu)的蛋白是一種奇特的組合物C1C2：它的70%來自紫紅質(zhì)通道蛋白1（ChR1, 它是一種與ChR2存在親緣關(guān)系的蛋白），剩下的30%來自ChR2。這種混合結(jié)構(gòu)不能解釋ChR2蛋白的所有性質(zhì)。結(jié)果就是，基于C1C2預(yù)測的突變并不是真實的，因此并不太適合用于光遺傳學(xué)技術(shù)中。

為了揭示出ChR2的結(jié)構(gòu)，來自德國、法國、俄羅斯和捷克的研究人員使用了一種被稱作X射線衍射的分析技術(shù)。這種技術(shù)僅用于分析以晶體形式存在的蛋白樣品。他們在一種所謂的允許蛋白在不離開膜的情形下自由地移動的立方體脂質(zhì)中間相（cubic lipid mesophase）中培養(yǎng)ChR2蛋白晶體。他們利用波長大約為1埃的X射線照射他們培養(yǎng)的ChR2蛋白晶體，通過分析X射線在這種蛋白晶體中的衍射情況，成功地解析出ChR2蛋白的結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2017年11月24日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Structural insights into ion conduction by channelrhodopsin 2”。

論文通信作者之一、德國馬克斯普朗克生物物理研究所高級膜蛋白研究實驗室副主任Valentin Borshchevskiy說，“自從2003年發(fā)現(xiàn)ChR2以來，人們就試圖解析出它的結(jié)構(gòu)。盡管來自世界各地的眾多研究小組都想做到這一點，但是這種蛋白在它的自然狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)仍是未知的。如今，鑒于我們解析出它的結(jié)構(gòu)，就能夠?qū)⒂幸饬x的突變引入到這種蛋白中，從而根據(jù)特定實驗的需要調(diào)整它的性質(zhì)。如果不知道它的結(jié)構(gòu)，我們就必須通過反復(fù)試驗或者利用相關(guān)蛋白的數(shù)據(jù)來找出有用的突變。”