Las canalrodopsinas conductoras de aniones son canales iónicos activados por la luz que se abren en respuesta a la luz y permiten que los iones cargados negativamente (como el cloruro) entren en la célula. Todas las canalrodopsinas usan la retina como pigmento sensible a la luz, pero difieren en su selectividad iónica. Las canalrodopsinas conductoras de aniones se utilizan como herramientas para manipular la actividad cerebral en ratones y moscas de la fruta ( optogenética ). Las neuronas que expresan canalrodopsinas conductoras de aniones se silencian cuando se iluminan con luz, un efecto que se ha utilizado para investigar el procesamiento de información en el cerebro. Por ejemplo, la supresión de picos de calcio dendríticos en neuronas específicas con luz redujo la capacidad de los ratones para percibir un toque ligero en un bigote.[2] Estudiar cómo cambia el comportamiento de un animal cuando se silencian neuronas específicas permite a los científicos determinar el papel de estas neuronas en los circuitos complejos que controlan el comportamiento.
![estructura iChloC](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/6/65/ChloC_Scheme_2.gif/220px-ChloC_Scheme_2.gif)
Las primeras canalrodopsinas conductoras de aniones se diseñaron a partir del canal canalrodopsina-2 regulado por luz conductora de cationes mediante la eliminación de aminoácidos cargados negativamente del poro del canal (Fig. 1). [3] Como el anión principal del líquido extracelular es el cloruro (Cl - ), las canalrodopsinas conductoras de aniones también se conocen como "canalrodopsinas conductoras de cloruro" (ChloC). Posteriormente se identificaron canalrodopsinas conductoras de aniones (ACR) de origen natural en algas criptofitas . [4] [5] [6] La estructura cristalina del GtACR1 natural se ha resuelto recientemente, allanando el camino para una mayor ingeniería de proteínas. [7] [8]
Variantes
nombre | especie de origen | absorción | referencia | propiedades, aplicaciones |
---|---|---|---|---|
SlowChloC | Chlamydomonas reinhardtii | azul | Wietek y col. 2014 [3] | primera generación, conductancia mixta |
iC1C2 | Chlamydomonas reinhardtii | azul | Berndt y col. 2014 [9] | primera generación, conductancia mixta |
iChloC | Chlamydomonas reinhardtii | azul | Wietek y col. 2015 [1] | inhibición de la percepción en ratones [2] |
iC ++ | Chlamydomonas reinhardtii | azul | Berndt y col. 2016 [10] | inhibición del sueño en ratones [11] |
Gt ACR1 | Guillardia theta | verde | Govorunova y col. 2015 [4] | inhibición del comportamiento en Drosophila [12] [13] inhibición de las células del músculo cardíaco de rata [14] supresión de picos holográficos en la corteza del ratón [15] |
Gt ACR1 (C102A) | Guillardia theta | verde encendido rojo apagado | Govorunova y col. 2018 [6] | biestable |
Gt ACR1 (R83Q / N239Q) DESTELLO | Guillardia theta | verde encendido | Kato y col. 2018 [7] | cierre muy rápido, grandes corrientes inhibición de la natación en C. elegans , inhibición de picos en ratón [7] |
GT ACR2 | Guillardia theta | azul | Govorunova y col. 2015 [4] | inhibición del comportamiento en Drosophila [12] inhibición de la extinción del miedo en ratones [16] |
PsACR1 | Proteomonas sulcata | verde | Wietek y col. 2016, [17] Govorunova et al. 2016 [18] | grandes corrientes |
ZipACR | Proteomonas sulcata | verde | Govorunova y col. 2017 [5] | muy rapido |
RapACR | Rhodomonas salina | verde | Govorunova y col. 2018 [6] | corrientes muy rápidas y grandes |
SwiChR ++ | Chlamydomonas reinhardtii | azul encendido rojo apagado | Berndt y col. 2016 [10] | biestable |
Phobos CA | Chlamydomonas reinhardtii | azul encendido rojo apagado | Wietek y col. 2017 [19] | biestable |
Aurora | Chlamydomonas reinhardtii | rojo naranja | Wietek y col. 2017 [19] | detener la locomoción de las larvas de Drosophila |
Aplicaciones
Las canalrodopsinas conductoras de aniones (ACR) se han utilizado como herramientas optogenéticas para inhibir la activación neuronal. Cuando se expresan en las células nerviosas, los ACR actúan como canales de cloruro activados por la luz . Su efecto sobre la actividad de la neurona es comparable al de los receptores GABA A , canales de cloruro activados por ligandos que se encuentran en las sinapsis inhibidoras : como la concentración de cloruro en las neuronas maduras es muy baja, la iluminación da como resultado un flujo hacia adentro de iones cargados negativamente, que sujetan la neurona. al potencial de inversión del cloruro (- 65 mV). En estas condiciones, las entradas sinápticas excitadoras no pueden despolarizar eficientemente la neurona. Este efecto se conoce como inhibición de la derivación (a diferencia de la inhibición por hiperpolarización ). La iluminación de la dendrita evita la generación de picos de calcio dendríticos, mientras que la iluminación de toda la neurona bloquea el inicio del potencial de acción en respuesta a la estimulación sensorial. [2] [1] Los terminales de axón , sin embargo, tienen una mayor concentración de cloruro y, por lo tanto, son excitados por ACR. [20] Para inhibir las neuronas con iluminación de campo amplio, se ha demostrado que es útil restringir los ACR al compartimento somático (variantes ST). [16] [15]
Debido a su alta sensibilidad a la luz, los ACR se pueden activar con luz tenue que no interfiere con la estimulación visual, incluso en animales muy pequeños como la mosca de la fruta Drosophila . [13]
Otras lecturas
Neuron Review (2017): Silenciar neuronas: herramientas, aplicaciones y restricciones experimentales [21]
Lo más destacado de la investigación: una mejor manera de apagar las neuronas [22]
Perspectiva: Ampliación del conjunto de herramientas de optogenética [23]
Relacionado: Halorhodopsin , una bomba de cloruro impulsada por luz
Referencias
- ^ a b c Wietek, Jonas; Beltramo, Riccardo; Scanziani, Massimo; Hegemann, Peter; Oertner, Thomas G .; Wiegert, J. Simon (7 de octubre de 2015). "Una canalrodopsina conductora de cloruro mejorada para la inhibición inducida por la luz de la actividad neuronal in vivo" . Informes científicos . 5 : 14807. doi : 10.1038 / srep14807 . ISSN 2045-2322 . PMC 4595828 . PMID 26443033 .
- ^ a b c Takahashi, Naoya; Oertner, Thomas G .; Hegemann, Peter; Larkum, Matthew E. (23 de diciembre de 2016). "Las dendritas corticales activas modulan la percepción". Ciencia . 354 (6319): 1587-1590. doi : 10.1126 / science.aah6066 . ISSN 0036-8075 . PMID 28008068 . S2CID 28317052 .
- ^ a b Wietek, Jonas; Wiegert, J. Simon; Adeishvili, Nona; Schneider, Franziska; Watanabe, Hiroshi; Tsunoda, Satoshi P .; Vogt, Arend; Elstner, Marcus; Oertner, Thomas G .; Hegemann, Peter (25 de abril de 2014). "Conversión de canalrodopsina en un canal de cloruro activado por luz". Ciencia . 344 (6182): 409–412. doi : 10.1126 / science.1249375 . ISSN 0036-8075 . PMID 24674867 . S2CID 206554245 .
- ^ a b c Govorunova, Elena G .; Sineshchekov, Oleg A .; Janz, Roger; Liu, Xiaoqin; Spudich, John L. (7 de agosto de 2015). "Canales aniónicos activados por luz natural: una familia de rodopsinas microbianas para optogenética avanzada" . Ciencia . 349 (6248): 647–650. doi : 10.1126 / science.aaa7484 . ISSN 0036-8075 . PMC 4764398 . PMID 26113638 .
- ^ a b Govorunova, Elena G .; Sineshchekov, Oleg A .; Rodarte, Elsa M .; Janz, Roger; Morelle, Olivier; Melkonian, Michael; Wong, Gane K.-S .; Spudich, John L. (3 de marzo de 2017). "La creciente familia de canalrodopsinas de aniones naturales revela grandes variaciones en cinética, conductancia y sensibilidad espectral" . Informes científicos . 7 : 43358. doi : 10.1038 / srep43358 . ISSN 2045-2322 . PMC 5335703 . PMID 28256618 .
- ^ a b c Govorunova, Elena G .; Sineshchekov, Oleg A .; Hemmati, Raheleh; Janz, Roger; Morelle, Olivier; Melkonian, Michael; Wong, Gane K.-S .; Spudich, John L. (1 de mayo de 2018). "Ampliación del dominio del tiempo del silenciamiento neuronal con canalrodopsinas de aniones criptofitos" . eNeuro . 5 (3): ENEURO.0174–18.2018. doi : 10.1523 / ENEURO.0174-18.2018 . ISSN 2373-2822 . PMC 6051594 . PMID 30027111 .
- ^ a b c Kato, Hideaki E .; Kim, Yoon Seok; Paggi, Joseph M .; Evans, Kathryn E .; Allen, William E .; Richardson, Claire; Inoue, Keiichi; Ito, Shota; Ramakrishnan, Charu (29 de agosto de 2018). "Mecanismos estructurales de selectividad y compuerta en canalrodopsinas aniónicas" . Naturaleza . 561 (7723): 349–354. doi : 10.1038 / s41586-018-0504-5 . ISSN 0028-0836 . PMC 6317992 . PMID 30158697 .
- ^ Kim, Yoon Seok; Kato, Hideaki E .; Yamashita, Keitaro; Ito, Shota; Inoue, Keiichi; Ramakrishnan, Charu; Fenno, Lief E .; Evans, Kathryn E .; Paggi, Joseph M. (29 de agosto de 2018). "Estructura cristalina de la canalrodopsina conductora de aniones naturales GtACR1" . Naturaleza . 561 (7723): 343–348. doi : 10.1038 / s41586-018-0511-6 . ISSN 0028-0836 . PMC 6340299 . PMID 30158696 .
- ^ Berndt, Andre; Lee, Soo Yeun; Ramakrishnan, Charu; Deisseroth, Karl (25 de abril de 2014). "Transformación guiada por la estructura de la canalrodopsina en un canal de cloruro activado por luz" . Ciencia . 344 (6182): 420–424. doi : 10.1126 / science.1252367 . ISSN 0036-8075 . PMC 4096039 . PMID 24763591 .
- ^ a b Berndt, Andre; Lee, Soo Yeun; Wietek, Jonas; Ramakrishnan, Charu; Steinberg, Elizabeth E .; Rashid, Asim J .; Kim, Hoseok; Park, Sungmo; Santoro, Adam (26 de enero de 2016). "Fundamentos estructurales de la optogenética: determinantes de la selectividad del ion canalrodopsina" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 113 (4): 822–829. doi : 10.1073 / pnas.1523341113 . ISSN 0027-8424 . PMC 4743797 . PMID 26699459 .
- ^ Chung, Shinjae; Weber, Franz; Zhong, Peng; Tan, Chan Lek; Nguyen, Thuc Nghi; Beier, Kevin T .; Hörmann, Nikolai; Chang, Wei-Cheng; Zhang, Zhe (2017). "Identificación de las neuronas del sueño preóptico mediante etiquetado retrógrado y perfil de genes" . Naturaleza . 545 (7655): 477–481. doi : 10.1038 / nature22350 . PMC 5554302 . PMID 28514446 .
- ^ a b Mohammad, Farhan; Stewart, James C; Ott, Stanislav; Chlebikova, Katarina; Chua, Jia Yi; Koh, Tong-Wey; Ho, Joses; Claridge-Chang, Adam (2017). "Inhibición optogenética del comportamiento con anióncanalrodopsinas". Métodos de la naturaleza . 14 (3): 271-274. doi : 10.1038 / nmeth.4148 . PMID 28114289 . S2CID 4133602 .
- ^ a b Mauss, Alex S .; Busch, Christian; Borst, Alexander (23 de octubre de 2017). "Silenciamiento neuronal optogenético en Drosophila durante el procesamiento visual" . Informes científicos . 7 (1): 13823. doi : 10.1038 / s41598-017-14076-7 . ISSN 2045-2322 . PMC 5653863 . PMID 29061981 .
- ^ Govorunova, Elena G .; Cunha, Shane R .; Sineshchekov, Oleg A .; Spudich, John L. (15 de septiembre de 2016). "Canalrodopsinas aniónicas para optogenética cardíaca inhibitoria" . Informes científicos . 6 (1): 33530. doi : 10.1038 / srep33530 . ISSN 2045-2322 . PMC 5024162 . PMID 27628215 .
- ^ a b Mardinly, Alan R .; Oldenburg, Ian Antón; Pégard, Nicolas C .; Sridharan, Savitha; Lyall, Evan H .; Chesnov, Kirill; Brohawn, Stephen G .; Waller, Laura; Adesnik, Hillel (30 de abril de 2018). "Control óptico multimodal preciso de la actividad del conjunto neuronal" . Neurociencia de la naturaleza . 21 (6): 881–893. doi : 10.1038 / s41593-018-0139-8 . ISSN 1097-6256 . PMC 5970968 . PMID 29713079 .
- ^ a b Mahn, Mathias; Gibor, Lihi; Malina, Katayun Cohen-Kashi; Patil, Pritish; Printz, Yoav; Oring, Shir; Levy, Rivka; Lámpara, Ilan; Yizhar, Ofer (2018). "Silenciamiento optogenético de alta eficiencia con canalrodopsinas conductoras de aniones dirigidas a soma" . Comunicaciones de la naturaleza . 9 (1): 4125. doi : 10.1038 / s41467-018-06511-8 . PMC 6175909 . PMID 30297821 .
- ^ Wietek, Jonas; Broser, Matthias; Krause, Benjamin S .; Hegemann, Peter (19 de febrero de 2016). "Identificación de una canalrodopsina conductora de cloruro absorbente de luz verde natural de Proteomonas sulcata" . Revista de Química Biológica . 291 (8): 4121–4127. doi : 10.1074 / jbc.M115.699637 . ISSN 0021-9258 . PMC 4759187 . PMID 26740624 .
- ^ Govorunova, Elena G .; Sineschekov, Oleg A .; Spudich, John L. (1 de febrero de 2016). "Proteomonas sulcata ACR1: una rápida canalrodopsina aniónica" . Fotoquímica y Fotobiología . 92 (2): 257–263. doi : 10.1111 / php.12558 . PMC 4914479 . PMID 26686819 .
- ^ a b Wietek, Jonas; Rodríguez-Rozada, Silvia; Tutas, Janine; Tenedini, Federico; Grimm, Christiane; Oertner, Thomas G .; Soba, Peter; Hegemann, Peter; Wiegert, J. Simon (noviembre de 2017). "Canalrodopsinas conductoras de aniones con espectros sintonizados y cinética modificada diseñada para la manipulación optogenética del comportamiento" . Informes científicos . 7 (1): 14957. doi : 10.1038 / s41598-017-14330-y . ISSN 2045-2322 . PMC 5668261 . PMID 29097684 .
- ^ Mahn, Mathias; Prigge, Matthias; Ron, Shiri; Levy, Rivka; Yizhar, Ofer (2016). "Restricciones biofísicas de la inhibición optogenética en terminales presinápticas" . Neurociencia de la naturaleza . 19 (4): 554–556. doi : 10.1038 / nn.4266 . PMC 4926958 . PMID 26950004 .
- ^ Wiegert, J. Simon; Mahn, Mathias; Prigge, Matthias; Printz, Yoav; Yizhar, Ofer (2017). "Silenciar las neuronas: herramientas, aplicaciones y restricciones experimentales" . Neurona . 95 (3): 504–529. doi : 10.1016 / j.neuron.2017.06.050 . PMC 5830081 . PMID 28772120 .
- ^ Evanko, Daniel (2014). "Neurociencia: una mejor manera de apagar las neuronas" . Métodos de la naturaleza . 11 (6): 608. doi : 10.1038 / nmeth.2988 . S2CID 1699434 .
- ^ Berndt, Andre; Deisseroth, Karl (7 de agosto de 2015). "Ampliando el kit de herramientas de optogenética" . Ciencia . 349 (6248): 590–591. doi : 10.1126 / science.aac7889 . ISSN 0036-8075 . PMC 4776750 . PMID 26250674 .