Erweiterung des Optogenetischen Toolkits

22.10.2018

Katie Ris-Vicari, Josh Dudman, and Luke Coddington

Die blauen Glühbirnen repräsentieren Channelrhodopsin-Proteine in ihrer normalen Ausrichtung. Blaues Licht "schaltet" diese Proteine ein und aktiviert Neuronen. Wenn ein neues Protein (in lila) auf dieses Opsin aufgeschmolzen wird, dreht sich seine Ausrichtung um (rote Glühbirne). Es wird dann durch Rotlicht aktiviert und wirkt wie ein Neuronenhemmer.

Die Beeinflussung einzelner Gehirnzellen durch lichtempfindliche Proteine hat sich als wirksames Instrument zur Erforschung der Komplexität des Gehirns erwiesen. Mit der Erweiterung dieses Zweiges der Neurowissenschaften wächst auch die Nachfrage nach einer vielfältigen Palette von Proteinwerkzeugen.

Ein multidisziplinäres Team von 14 Forschern vom Janelia Research Campus des Howard Hughes Medical Institute und anderen Institutionen fand einen neuen Weg, diese Proteine, die sogenannten Rhodopsine, zu entwickeln. Durch das Umkehren von Proteinen in der Zellmembran auf den Kopf gestellt, gelang es den Wissenschaftlern, Werkzeuge mit unterschiedlichen Eigenschaften zu entwickeln.

Die Technik könnte die Anzahl der für die Optogenetik verfügbaren Proteine verdoppeln - eine Technik zur Manipulation der Aktivität von Neuronen mit Licht. Die neu entwickelten Rhodopsin-Hybride ermöglichen bereits neue Experimente bei Janelia, helfen Forschern, Hirnkreise zu analysieren und die Neurowissenschaften zur Behandlung der Parkinson-Krankheit zu untersuchen.

Bislang hatten die Wissenschaftler zwei Möglichkeiten, neue Proteine für die Optogenetik zu finden. Zum einen, indem man sie in der Natur durch den Genomabbau entdeckt. Das andere ist, indem man Proteine allmählich mutiert, bis sie wünschenswerte Eigenschaften haben. Jeder Ansatz hat Stärken, aber auch Grenzen in seiner Fähigkeit, die gesamte Bandbreite an Eigenschaften bereitzustellen, die Neurowissenschaftler für immer präzisere Experimente benötigen.

Inspiriert von der Evolution entwickelte das multidisziplinäre Janelia-Team unter der Leitung von Jennifer Brown, Reza Behnam, Luke Coddington und Gowan Tervo eine ergänzende Technik zur Entwicklung neuer Rhodopsine. Neben der Mutation entsteht die Proteinvielfalt in der Natur, wenn sich Proteine durch Rekombination verändern - die Kombination von Proteindomänen mit unterschiedlichen Funktionen durch die Umbildung von Genen. Wissenschaftler denken, dass die Rekombination entscheidend für die Entstehung einer Teilmenge von Proteinen ist, die ihre Orientierung in der Zellmembran durch die Evolution verändert haben.

Obwohl es in der Natur umgedrehte Proteine gibt, deutet die gängige Meinung darauf hin, dass das Konstruieren eines solchen Proteins fast unmöglich ist. Proteine haben fein abgestimmte Formen für ihre Orientierung in der Membran, und sie bilden meist keine funktionellen Proteine, wenn Forscher versuchen, sie im Labor zu verändern.

Doch als die Janelia-Forscher die Rekombination nachahmten, indem sie ein neues Protein an einem Ende eines Rhodopsins hinzufügten, drehte es sich um. "Wir waren eigentlich überrascht, wie einfach es ist, Rhodopsin, das wir mögen, umzudrehen", sagt Janelia Senior Group Leader Alla Karpova.

Wenn jedes bestehende, ingenieurmäßig hergestellte oder entdeckte Rhodopsin beim Umkippen eine neue Funktion erhält, könnte das zu einer Verdoppelung der für die Optogenetik verfügbaren Proteinwerkzeuge führen, sagt sie.

Das Team konnte nicht nur die Ausrichtung der Proteine ändern, sondern auch feststellen, dass die neuen Rhodopsine einzigartige und nützliche neue Funktionen haben. Eines, genannt FLInChR (Full Length Inversion of ChR), begann als Rhodopsin, das Neuronen aktiviert. Wenn es umgedreht wurde, wurde es zu einem starken und schnellen Inhibitor, der neue Experimente ermöglicht hat.

"Wir wollen immer neue Werkzeuge entwickeln, damit wir jedes Experiment, das wir uns ausdenken, durchführen können", sagt Joshua Dudman, Seniorgruppenleiter von Janelia. "Die Möglichkeit, den Werkzeugkasten zu diversifizieren, ist ein wirklich kritischer Faktor, um die Neurowissenschaft weiter voranzutreiben."

The Howard Hughes Medical Institute (HHMI)

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