研究小组首次获得了处于活性状态的光敏钠泵浦KR2蛋白的结构

一个国际研究小组首次获得了处于活性状态的光敏钠泵浦KR2蛋白的结构。该发现提供了光驱动钠离子跨细胞膜转移的机制的描述。该论文发表在《自然通讯》上。KR2是微生物视紫红质的一个非常大的家族的成员-这些细菌是古细菌，细菌，病毒和真核生物的细胞膜中存在的光敏蛋白。这些蛋白质具有广泛的功能，包括光驱动离子跨膜运输。这种离子通道和泵浦是光遗传学的主要工具，光遗传学是生物医学中蓬勃发展的领域，其重点是通过用光照射细胞来控制体内的细胞。

由于光遗传学对微创技术的研究和解决阿尔茨海默氏病，帕金森氏病和其他疾病的神经退行性疾病的治疗方法的应用，使其倍受关注。除此之外，光遗传学还可以逆转视力和听力损失并恢复肌肉活动。

尽管取得了许多成功，但光遗传学的进一步发展因适用于细胞激活和抑制的可用蛋白质数量有限而变得复杂。例如，最广泛使用的光遗传学工具海藻视紫红质2(Channelrhodopsin 2)的结构最初是由MIPT研究人员和毕业生在《科学》杂志上发表的，它可以转运钠离子，钾离子，钙离子和质子。蛋白质的低选择性导致对细胞的不良副作用。结果，优化用于使用光遗传学工具的方案目前是昂贵且费时的。

寻找新的，更具选择性的蛋白质是光遗传学的首要任务。其中一种候选药物是2013年发现的KR2视紫红质，它是一种独特的工具，可以在生理条件下选择性地仅将钠离子转运通过膜。了解KR2的工作方式对于优化该蛋白质的功能特性并将其用作新的光遗传学工具的基础至关重要。

MIPT生物物理学家于2015年和2019年发布了各种形式的KR2的第一个结构。除其他事项外，他们还表明该蛋白质在膜中组织成五聚体，这种行为对其功能至关重要。

但是，到目前为止，所有描述的模型都研究了处于非活性或基态的蛋白质。然而，只有在处于活动状态时(在光照后)，蛋白质才能真正运输钠。为了了解KR2泵的工作原理，研究人员现已获得并描述了其处于活动状态的高分辨率结构。

我们从使用传统方法开始，通过用激光照射预先生长的蛋白质晶体来激活KR2，并通过将晶体在100开尔文温度下快速冷冻来获得活跃状态的快照。我们很幸运，因为这样的操作很可能会破坏晶体。为了避免这种情况，我们必须微调激光器的波长和功率，并找到最佳的曝光时间。

MIPT衰老和与年龄有关的疾病的分子机制研究中心的独特设备，使得生产实验所需的大量高质量KR2视紫红质晶体成为可能。

该研究最重要的发现是鉴定与KR2分子内部的钠离子结合的蛋白质的氨基酸残基。它们是决定视紫红质对特定类型离子的选择性的因素。除此之外，该蛋白质处于2.1埃(2千亿分之一米)的活性状态的高分辨率结构揭示了该蛋白质活性中心的钠离子结合位点的精确构型。该小组首次表明，在视紫红质的进化过程中，KR2的结合位点已针对钠离子进行了优化。这意味着研究中获得的活性状态结构最适合下一代基于KR2的光遗传学工具的合理设计。

科瓦廖夫补充说：“在我们的工作过程中，我们还获得了室温下的活性态KR2结构。” “为此，我们必须更新用于收集晶体学数据的众所周知的协议。此外，我们采用了同步加速器辐射源来利用串行晶体学技术，这种技术现在正越来越流行。”

室温KR2结构证实了从低温快照生成的蛋白质模型是正确的。这直接证明了低温冷冻不会影响视紫红质的内部结构。

该论文报道的结构使科学家们能够首次提供主动光驱动钠离子跨细胞膜运输的描述。具体而言，研究表明，钠转运最有可能涉及一种杂化机制，包括中继质子转运和通过蛋白质中极性腔的被动离子扩散。研究人员提出的机制已经通过突变KR2形式的功能研究和从蛋白质释放钠离子的分子动力学模拟得到了证实。

格勒诺布尔结构生物学研究所所长Valentin Gordeliy解释说：“跨细胞膜的离子运输是一个基本的生物学过程。也就是说，钠离子运输应通过不同于质子运输的机制来实现。” MIPT衰老和与年龄有关的疾病的分子机制研究中心的科学协调员。“我们第一次看到了钠离子如何结合在视紫红质分子内部，并了解了离子释放到细胞间空间的机制。”

生物物理学家相信，他们的发现不仅揭示了离子跨膜运输的基本原理，而且将用于光遗传学研究。MIPT正在继续开发优化的KR2蛋白形式，以扩展用于脑研究和神经退行性疾病疗法的工具包。