Forscher entdecken neuen lichtgesteuerten Kaliumkanal in Neuronen

Zusammenfassung: Forscher berichten, dass sie den ersten natürlichen lichtgesteuerten Kaliumkanal identifiziert haben – Rhodopsin.

Quelle: Baylor College für Medizin

Der wichtigste Weg, um das Gehirn zu verstehen, besteht darin, die Verhaltenseffekte zu beobachten, die bestimmte Gruppen von Neuronen beeinflussen. Einer der häufigsten Ansätze zur Steuerung der neuronalen Aktivität in Modellsystemen wird als Optogenetik bezeichnet und basiert auf der Expression lichtgesteuerter mikrobieller Kanäle in interessierenden Neuronen.

Diese Kanäle fungieren als lichtempfindliche Schalter, die Neuronen mit Lichtblitzen einschalten und sind seit 2005 verfügbar. Eine kritische Möglichkeit, die Funktion von Neuronenpopulationen zu bestätigen, besteht darin, das Experiment zu wiederholen, diesmal jedoch durch Ausschalten oder Stummschalten gleichen neuronalen Subpopulationen. Der Neurowissenschaftsgemeinschaft fehlte jedoch bis jetzt eine schnelle und effektive Methode, um Neuronen zu stoppen oder zum Schweigen zu bringen.

Forscher des University of Texas Health Science Center an der Houston McGovern School of Medicine, dem Baylor College of Medicine, der Rice University und der University of Guelph, Ontario, Kanada, berichten über eine neue Klasse von lichtgesteuerten Kanälen, die versprechen, den Weg schnell zu ebnen. Die optischen Neuronen werden effizient zum Schweigen gebracht.

Veröffentlicht in Natürliche NeurowissenschaftIn diesem Artikel beschreiben die Forscher, wie sie den ersten natürlichen (Kalium) lichtgesteuerten Kaliumkanal (KCRs) identifiziert haben.

„Der lichtaktivierte Kaliumkanal wird seit langem als Neuronen-Schalldämpfer gesucht, da die natürliche und globale Leitung von Kalium die Neuronenmembranen überpolarisiert, Aktionspotentiale beendet und depolarisierte Neuronen an der latent ruhenden Membran wiederherstellt“, sagte der Hauptautor der Studie, Dr. Robert Welch Distinguished Chair in Chemie am McGovern College of Medicine.

Mithilfe eines systematischen Screenings von nicht charakterisierten Opsinen (Proteine, die an lichtreaktive Chemikalien binden) auf ihre elektrischen Eigenschaften suchten die Forscher nach einem Rhodopsinkanal mit schwer fassbarer Kaliumselektivität, indem sie ein Clamp-Photostrom-Screening von Opsin-kodierenden Genen ohne bekannte Funktion, die in HEK293 exprimiert werden, nutzten Zellen.

„Unsere Screening-Strategie beinhaltet die Konzentration auf Opsin von Organismen, die sich in ihrem Stoffwechsel und in ihrem Lebensraum von zuvor untersuchten Opsin-Organismen unterscheiden und daher wahrscheinlich während ihrer Entwicklung unterschiedliche Opsin-Funktionen entwickelt haben, die an unterschiedliche Selektionsdrücke angepasst sind“, sagte Spudich sagte.

„Diese Strategie führte uns zu zwei Opsin-codierenden Genen aus dem sequenzierten Genom von Hypohochytrium catenoides, einem nicht-photosynthetischen, heterotrophen primitiven Organismus, der sowohl phylogenetisch als auch physiologisch weit von Algen ähnelt, die eng verwandte natriumselektive CCRs enthalten.“

„Wir haben festgestellt, dass die Rhodopsinkanäle von H. catenoides – wir haben sie HcKCR1 und HcKCR2 für H. genannt“, sagte Dr. Elena Govoronova, außerordentliche Professorin im Spuditch-Labor und Erstautorin.

„Insbesondere das Permeabilitätsverhältnis (PK/PNa) von 23 macht HcKCR1 zu einem leistungsstarken depolarisierenden Werkzeug, um das Feuern erregbarer Neuronen bei Beleuchtung zu unterdrücken.“

Das Labor von Dr. Mingshan Xue am Baylor Institute und den Caen Foundation Laboratories sowie am Jean and Dan Duncan Institute of Neurological Research am Texas Children’s Hospital testeten diese neuen Werkzeuge in Neuronen.

„Als mein Student Yueyang Gou HcKCR1 in Mausneuronen exprimierte und einen Lichtblitz anwendete, wurden die Neuronen elektrisch still. Dieser Kanal überwindet viele Einschränkungen früherer Inhibitoren und wird ein entscheidendes Werkzeug sein, um uns zu helfen, die Gehirnfunktion zu verstehen.“

Als nächstes demonstrierte der Doktorand Xiaoyu Lu vom St-Pierre Laboratory der Baylor University und der Rice University, dass Silencing auch durch Zwei-Photonen-Anregung erreicht werden kann, eine gängige Technik, um einzelne Neuronen in vivo mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung anzusprechen.

Francois St-Pierre, außerordentlicher Professor für Neurowissenschaften am Baylor and McNair Scientist und Mitautor dieser Arbeit.

„Diese Arbeit ist ein großartiges Beispiel dafür, wie eine multiinstitutionelle Zusammenarbeit in Houston zu innovativer Forschung führen kann. Houston zeichnet sich als erstklassiger Standort für die Entwicklung und Anwendung der neuesten molekularen Neurotechnologie aus“, sagte St. Pierre.

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Von nun an wird die Gruppe die Fähigkeit von KCRs bewerten, Neuronen in vivo zum Schweigen zu bringen, und ihre biophysikalischen Mechanismen weiter untersuchen, um bessere Varianten zu entwickeln. Langfristig hoffen sie auch, dass der KCR zur Behandlung von Kaliumkanalstörungen wie Epilepsie, Parkinson, Long-QT-Syndrom und anderen Herzrhythmusstörungen eingesetzt werden könnte.

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Autor: Graciela Gutiérrez
Quelle: Baylor College für Medizin
Kontakt: Graciela Gutierrez – Baylor College of Medicine
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„Die lang erwartete Entdeckung lichtgesteuerter Kaliumkanäle: ein natürlicher Kalium-Rhodopsin-KanalGeschrieben von John Spodich et al. Natürliche Neurowissenschaft

Zusammenfassung

Die lang erwartete Entdeckung lichtgesteuerter Kaliumkanäle: ein natürlicher Kalium-Rhodopsin-Kanal

Wir berichten über lichtgesteuerte Kanäle in einem pilzähnlichen Ausgangsmaterial, die hochselektiv für K.⁺ mehr als na⁺.

Diese mikrobiellen Rhodopsinkanäle, die als Kaliumkanalrhodopsin bezeichnet werden, ermöglichen eine robuste Hemmung kortikaler Neuronen der Maus mit Millisekunden-Präzision.

Darüber hinaus offenbaren Kalium-Channelrhodopsine einen bisher unbekannten kaliumselektiven Mechanismus.