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圖片來自MIPT。
2017年11月29日//---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(duì)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?？茖W(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(shí)，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(huì)讓它的細(xì)胞膜去極化，從而模擬神經(jīng)沖動(dòng)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(duì)細(xì)胞相對(duì)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(shí)驗(yàn)者根據(jù)需要量身定制蛋白。人們甚至能夠?qū)追N對(duì)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zui接近于ChR2實(shí)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(shí)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?cè)谝环N所謂的允許蛋白在不離開膜的情形下自由地移動(dòng)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膜蛋白研究實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)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(yàn)或者利用相關(guān)蛋白的數(shù)據(jù)來找出有用的突變。”（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
Oleksandr Volkov, Kirill Kovalev, Vitaly Polovinkin et al. Structural insights into ion conduction by channelrhodopsin 2. Science, 24 Nov 2017, 358(6366):eaan8862, doi:10.1126/science.aan8862
Klaus Gerwert. Channelrhodopsin reveals its dark secrets. Science, 24 Nov 2017, 358(6366):1000-1001, doi:10.1126/science.aar2299
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