光遗传学蛋白KR2视紫红质的真实结构

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来自俄罗斯，德国和法国的生物物理学家团队以莫斯科物理和技术研究所的研究人员为特色，在生理条件下发现并研究了KR2视紫红质的结构。这项开创性工作为光遗传学的未来突破奠定了基础，光遗传学是一个高度相关的生物医学领域，应用于神经疾病治疗等等。基本的发现将导致一种有效治疗抑郁症，焦虑症，癫痫和帕金森病的新工具。报告该研究的论文，其中MIPT生物物理学家发挥了主导作用，发表在Science Advances，一个备受推崇的美国科学促进协会期刊。  将美国细胞邮寄培养基置于37 ℃ 水槽中回温，回温后喷以70 % 酒精并擦拭之，移入无菌操作台内。取出冷冻管，立即放入37 ℃ 水槽中快速解冻，水面高度不可接近或高过冷冻管之盖沿，否则易发生污染。轻摇冷冻管使其在1 分钟内全部融化后，以70 % ethanol 擦拭冷冻管外部， 移入无菌操作台内。


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) m) g$ R5 _% H$ v; E" P光遗传学是一个全新的生物物理学和生物医学领域，研究通过光信号控制生物体内神经和肌肉细胞的技术。不久前，领先的研究期刊科学将光遗传学称为十年的突破。光遗传学方法已经能够部分恢复因神经系统疾病而受损的视力，听力和肌肉控制。重要的是，这些技术使研究人员能够详细研究神经络。这不是指计算机络，而是指那些安置在人类大脑中并对我们的情绪，决策和其他基本过程负责的人。


几年前，研究人员在海洋细菌Krokinobacter eikastus的细胞膜上发现了一种新型的离子转运蛋白--KR2视紫红质。新发现的蛋白质对光敏感，因此可用于光遗传学。在光的驱动下，这些蛋白质可以促进带电粒子(例如离子)穿过细胞膜的转运。通过将这些转运蛋白导入细胞，研究人员可以使用光脉冲来控制神经元细胞膜的电位，从而控制其活性。显示KR2选择性地在细胞外运输特定种类的颗粒 - 钠离子。蛋白质不是允许这些离子在两个方向上通过，而是进行主动运输，充当泵。突变形式的KR2也显示出钾泵活性。

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0 }* X/ o* `# s( {. Z7 p4 P* _$ m1 W+ D- [随着新分子泵的发现，研究浪潮面临着视紫红质的一些非常神秘的特性。几个研究小组发现并描述了有希望的蛋白质的总共五种不同结构。值得注意的是，在这些结构中的一些中，五个KR2分子形成稳定的五聚体，而在其他结构中仅存在蛋白质单体(图1)。


' g( q# F2 e. |" t% {8 N) U所以戏剧性的问题是：哪些结构应该被认为是正确的呢?该研究的第一作者，MIPT博士生Kirill Kovalev说。事实上，这些结构非常相似，但细节中的魔鬼，决定了蛋白质在科学和临床实践中的可能应用。


, q# }( k1 L+ ]" q& ^- z7 k在MIPT生物物理学家的带领下，该团队发现了导致各种蛋白质结构混乱的原因。事实证明，研究KR2的研究小组已经在不同条件下使蛋白质结晶。这种独特的蛋白质最初是由一种非常特殊的环境中的海洋细菌产生的。它生活在具有特定盐度，酸度和氢离子浓度(pH)的水中。这些条件是蛋白质做研究人员期望它做的先决条件 - 即泵送钠离子，同时在细胞膜中形成五聚体。这种蛋白质的众多假结构要么是结晶假象，要么只对应于实际上禁用KR2的钠泵活性的条件，这使得它对全球光遗传学界极具吸引力。


我们第一次模拟了KR2存在和功能的生理条件。结果，我们获得了新蛋白质的正确结构，这与其天然状态相对应。我们展示了蛋白质的功能单元。是一个五聚体，格勒诺布尔结构生物学研究所的Valentin Gordeliy解释道。最重要的是，我们找到了对蛋白质先前结构研究之间矛盾的解释。

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KR2视紫红质是光遗传学的革命性产品，了解其在生理条件下的正确结构，对于了解其功能背后的机制以及通过建模新的光遗传学工具并将其应用于医学实践来探索神经系统至关重要。