光學遺傳學發展解析出紫紅質通道蛋白2的三維結構

紫紅質通道蛋白2（channelrhodopsin 2, ChR2）是一種廣泛用于光遺傳學技術（optogenetics）的膜蛋白。光遺傳學技術是一種相對較新的技術，涉及利用光來操縱活的有機體中的神經元和肌肉細胞。類似的方法已被用來部分地逆轉聽力/視力喪失和控制肌肉收縮。

ChR2是一種主要的光遺傳學工具。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。科學家們能夠將ChR2插入到活細胞的膜中來控制它。當利用光線照射時，這種蛋白允許帶正電的離子穿過細胞膜進入細胞中。在神經元中，這會讓它的細胞膜去極化，從而模擬神經沖動的影響和導致這種特定的神經元放電。

鑒于ChR2較快地發揮作用，對細胞相對無害，因此它當前被用來激活神經元。一系列人為誘導的突變能夠改變這種蛋白的性質。比如，增加它產生的電流或者改變它作出反應的光線波長是可行的。這些修飾能夠讓實驗者根據需要量身定制蛋白。人們甚至能夠將幾種對不同波長的光線作出反應的蛋白變體組合使用。

迄今為止，用于修飾ChR2性質的大多數突變或多或少是通過定向進化或已知的蛋白結構數據隨機引入的。人們獲得的最接近于ChR2實際結構的蛋白是一種奇特的組合物C1C2：它的70%來自紫紅質通道蛋白1（ChR1, 它是一種與ChR2存在親緣關系的蛋白），剩下的30%來自ChR2。這種混合結構不能解釋ChR2蛋白的所有性質。結果就是，基于C1C2預測的突變并不是真實的，因此并不太適合用于光遺傳學技術中。

為了揭示出ChR2的結構，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。這種技術僅用于分析以晶體形式存在的蛋白樣品。他們在一種所謂的允許蛋白在不離開膜的情形下自由地移動的立方體脂質中間相（cubic lipid mesophase）中培養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蛋白的結構。相關研究結果發表在2017年11月24日的Science期刊上，論文標題為“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高級膜蛋白研究實驗室副主任Valentin Borshchevskiy說，“自從2003年發現ChR2以來，人們就試圖解析出它的結構。盡管來自世界各地的眾多研究小組都想做到這一點，但是這種蛋白在它的自然狀態下的結構仍是未知的。如今，鑒于我們解析出它的結構，就能夠將有意義的突變引入到這種蛋白中，從而根據特定實驗的需要調整它的性質。如果不知道它的結構，我們就必須通過反復試驗或者利用相關蛋白的數據來找出有用的突變。”