Управляя клеткой

Биофизики из МФТИ вместе с коллегами из Европы и Японии выяснили, как ионы кальция блокируют вирусные канальные родопсины — светочувствительные белки-каналы, которые пропускают ионы через клеточную мембрану. Ученые впервые получили структуры белка OLPVR1 с рекордно высоким разрешением. Это позволило увидеть, где именно кальций «застревает» внутри канала и не дает ему открыться. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications. Исследование поддержано Министерством науки и высшего образования РФ.

Такие белки-каналы используют в оптогенетике — методе, который позволяет управлять активностью нейронов и других клеток с помощью света. Эта технология произвела революцию в нейробиологии: она дала ученым беспрецедентный инструмент для изучения работы мозга, а 5 октября 2026 года ее разработчики были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

О том, почему вирус, заражающий одноклеточные водоросли, вообще обзавелся светочувствительным каналом, чем классический инструмент оптогенетики не устроил ученых и почему его пришлось заменить белком из вируса, а также как понимание кальциевой блокады может приблизить создание инструментов для управления клеточными процессами — от деления до гибели, «Ъ-Наука» поговорила с участниками исследования.

— Оптогенетика — это голубая мечта биологов, реализованная в жизни. В человеческом организме есть большое количество специальных белков — ионных каналов, которые, как следует из названия, пропускают через себя различные ионы, например, натрий, калий, хлор, кальций и другие. Они находятся во внешней мембране клетки — перегородке из липидов (жиров), которая сравнительно мало что через себя пропускает. Благодаря мембране клетка отделяет себя от внешней среды и может поддерживать свой внутренний состав постоянным.

Эти ионные каналы в своей массе управляются потенциалом мембраны — электрохимическим напряжением, возникающим между поверхностями мембраны внутри и снаружи клетки. Он возникает из-за разницы составов среды снаружи клетки и ее внутренности — цитоплазмы.

Изменение мембранного потенциала запускает и регулирует очень многие процессы в возбудимых клетках нашего организма, а это в первую очередь нейроны. То есть вся наша нервная деятельность по сути своей держится на регуляции мембранного потенциала нейронов! Открытие ионных каналов необходимо, например, чтобы сокращались наши мышцы, работало сердце, передавались команды движения от мозга к конечностям. Часто именно нарушение работы ионных каналов приводит к проблемам с движением у больных людей.

Так вот, теперь вернемся к оптогенетике. Ученые смогли открыть другие ионные каналы, которые открываются не в ответ на электричество, а с помощью света. Это и есть светочувствительные белки — родопсины. Одним из первых таких белков стал канальный родопсин-2. Эти белки по сути своей делают то же самое, что и ионные каналы в нашем организме, только в ответ на другой сигнал — достаточно мощный свет (хоть и с помощью других механизмов). А поскольку свет намного меньше влияет на физиологию клеток, органов и организмов, чем электричество, появление таких светоуправляемых каналов позволило управлять процессами передачи внутриклеточных сигналов, не нанося при этом вреда! То есть появилась возможность с помощью света управляемо восстанавливать, ускорять или замедлять процессы передачи нервного импульса. Это позволило исследовать механизмы работы нашей нервной системы на ранее недоступном уровне, причем эти эксперименты быстро перешли от клеток к организмам: ученые показали, что у мышей с помощью канальных родопсинов можно восстановить память при нейродегенеративных процессах, контролировать приступы эпилепсии, восстановить зрение и слух. Также сравнительно недавно была проведена большая работа, где благодаря канальным родопсинам получилось вернуть зрение полностью слепым пациентам! В общем, оптогенетический подход по управлению мембранным потенциалом стал универсальным инструментом нейробиологов и уже нашел некоторые практические применения в медицине для восстановления неврологических функций. За весь совокупный вклад в этом году за изобретение оптогенетического подхода дали Нобелевскую премию по физиологии и медицине!

— Дело в том, что родопсины — это огромный класс белков, они встречаются практически во всех царствах живых организмов. Поскольку разные организмы живут в разных условиях, найденные в них белки могут очень отличаться по своим свойствам, поэтому довольно интересно эти свойства сравнивать и изучать. Недавно были обнаружены гены родопсинов в гигантских вирусах, заражающих одноклеточные водоросли. Эти родопсины, недолго думая, назвали вирусными.

— Наверное, это как-то помогает ему более эффективно размножаться. Например, есть гипотеза, что с помощью вирусных родопсинов вирус может управлять жгутиком одноклеточных водорослей. То есть с помощью этих белков вирус управляет движением водорослей. Зараженная вирусом водоросль из-за работы родопсинов начинает непроизвольно плыть к источнику света. А у этого источника, может быть, с большей вероятностью находятся другие водоросли, а также питательные вещества, которые водорослям нужны для роста. Водоросль растет, размножается, вместе с ней размножается и вирус, заражая заодно ее сородичей.

Но это только гипотеза, точно мы пока этого не знаем. Во-первых, мы не можем напрямую выяснить у вируса, зачем ему это нужно. Во-вторых, мы не можем также взять и вырастить эти вирусы и водоросли, которые они заражают, потому что они найдены далеко в глубинах океана (а некоторые — в глубинах озер Антарктиды!) и от них почти ничего не сохранилось, кроме следов ДНК, из которых мы эти гены и вытащили. Почти единственное, что у нас есть сейчас для того, чтобы эту загадку разгадать,— попробовать эти белки выращивать в других организмах и с помощью разных методов молекулярной биологии изучить их свойства. Какие ионы они проводят? Где конкретно располагаются внутри клеток? Ответы на эти вопросы могут пролить свет на настоящую функцию этих белков в живой природе.

— Вирусные родопсины могут пригодиться не только для управления движениями одноклеточных водорослей. В недавней работе было показано, что вирусный родопсин OLPVR1 экспрессируется в эндоплазматическом ретикулуме (ЭПР) клеток млекопитающих и благодаря этому позволяет управлять мышечными сокращениями у головастиков.

Здесь вновь нужно дать небольшое пояснение. ЭПР — это главное вместилище кальция в клетке. Это отдельная клеточная органелла, то есть часть внутри клетки, отделенная от остальных частей мембраной, похожей на внешнюю мембрану клетки. Благодаря этому состав ионов внутри ЭПР отличается от состава в цитоплазме (внутренности) клетки.

В цитоплазме (то есть в других частях клетки) кальция совсем мало, по сути около 1 мкм. Концентрация кальция снаружи клетки обычно достигает 2000 мкм, в то же время внутри ЭПР она составляет 800 мкм. Соответственно, выброс кальция из ЭПР может изменить его концентрацию в сотни раз! Благодаря этому кальций является так называемым вторичным медиатором, то есть непрямым передатчиком сигнала. Концентрация кальция, так же как и мембранный потенциал, регулирует огромное количество процессов в клетке. Она влияет на процессы деления и смерти клетки, может запускать контролируемую клеточную смерть — апоптоз. Также кальций запускает сокращение мышц, формирование памяти с помощью астроцитов и многие другие процессы в нашем организме.

Так вот, в недавней работе было показано, что OLPVR1 в клетках млекопитающих и головастиках вызывает светозависимый выброс кальция из ЭПР! Это абсолютно уникальное свойство среди всех известных человечеству родопсинов. Благодаря этому ученые смогли с помощью света «заставить» головастиков усиленно плавать, двигать хвостом, поскольку выброс кальция из ЭПР вызывал у них мышечные сокращения! Представляете, какие возможности открывает такой оптогенетический инструмент?

— Не совсем так — универсальный кран пока не получился. Но с помощью улучшения функциональных свойств OLPVR1 в перспективе можно было бы добиться разных по времени и силе выбросов кальция из ЭПР. А эти параметры как раз и определяют разницу между кальциевыми сигналами: например, будет клетка делиться от выброса кальция или, наоборот, погибать! В нашей недавней работе (2025 год) мы с коллегами как раз показали, как, используя структурные знания об OLPVR1, с помощью направленного мутагенеза контролируемо изменять его функциональность!

Вообще, OLPVR1 оказался в этом смысле очень удобным объектом для исследования. Про его уникальные функциональные свойства я уже немного рассказал, но он ведь обладает и уникальными структурными характеристиками! Этот белок хорошо производится в бактериях и образует высококачественные кристаллы. В нашей работе в 2025 году это позволило определить структуры закрытого и открытого состояний с разрешением 1,1 и 1,3 ангстрема. Это беспрецедентно высокое разрешение для канальных родопсинов! Его наличие позволило нам предсказывать, как влияют на свойства белка те или иные мутации. При этом общие черты устройства канальных родопсинов делают OLPVR1 полезной моделью для понимания работы всего семейства.

— Классическим инструментом оптогенетики, широко применяющимся во многих приложениях, является канальный родопсин-2. Но для получения его структуры с достаточной детализацией он оказался очень трудным объектом. Подходящие кристаллы приходилось выращивать от двух до шести месяцев, а кристалл достаточно хорошего качества был отобран спустя сотни неудачных попыток. В 2017 году наша команда определила его структуру с разрешением около 2,4 ангстрема. Это позволило разобраться в устройстве канала, но для следующего шага — исследования его работы с детализацией до отдельных ионов — требовалась более удобная экспериментальная модель. Тут-то и пригодился OLPVR1!

— Внутри канала есть участок, способный удерживать ион кальция за счет взаимодействий с атомами кислорода белка и воды. При разрешении около 1,4 ангстрема (0,14 нанометра) мы смогли определить положение кальция и его ближайших соседей: два остатка треонина (T87 и T88) и кислород белковой цепи у метионина M84. Они удерживают ион в определенном положении.

Чтобы понять, как это связывание влияет на работу канала, мы осветили кристаллы и быстро заморозили их. Оказалось, что кальций действует как молекулярный стопор: мешает повернуться остатку глутамата E44 — одному из элементов затвора канала. Световой сигнал поступает, но канал не завершает открытие. По нашей интерпретации, рядом с застрявшим ионом кальция задерживается ион натрия — другой ион из кристаллизационных условий. Возникает своего рода «ионная пробка». Так мы смогли связать конкретное положение кальция с нарушением работы канала. Однако остается загадкой, как эти наблюдения соотносятся с наблюдаемыми в клетках кальциевыми токами из ЭПР.

Отдельная методическая находка позволила нам это увидеть. Сначала мы выращивали кристаллы в отработанных условиях с обычной поваренной солью, а затем вымачивали готовые кристаллы в растворах солей кальция или бария. Так удалось сохранить хорошее качество кристаллов и определить места связывания этих ионов. Возможность такого вымачивания готовых кристаллов не только сократила нам годы перебора оптимальных условий кристаллизации в других солях, но и показала, что кристаллы мембранных белков способны хотя бы частично сохранять свою функцию вне природной мембраны, доказывая целесообразность такого рода исследований.

— На данный момент основной оптогенетический инструмент — ChR2 — обладает рядом недостатков: недостаточной ионной селективностью и узостью внутриклеточной локализации. Кроме того, последние 20 лет исследовательской деятельности были направлены на улучшение уже имеющихся инструментов, и, по-видимому, в достаточной степени улучшить их мы не сможем. Именно поэтому наши исследования значительно приближают создание такого рода инструментов.

Коллеги в нашем центре вносят значительный вклад в развитие органельной оптогенетики. Это направление исследований, где с помощью внутриклеточных сигналов родопсины направляют в разные органеллы клетки (тот же ЭПР, митохондрии или лизосомы). Это позволяет по-новому влиять на метаболизм клетки. В перспективе этот подход может позволить наиболее эффективно бороться с раком. Более подробно об этом можно прочитать в обзоре наших коллег, опубликованном в очень престижном журнале на эту тему.

Наши исследования OLPVR1 также меняют сложившуюся парадигму. Этот белок обладает уникальной для родопсинов локализацией и функцией, что открывает новые возможности для исследователей. Возможно, именно поиск новых решений, которые за нас уже придумала природа, поможет открыть новые возможности для оптогенетики.