助推光学遗传学发展！解析出紫红质通道蛋白2的三维结构

紫红质通道蛋白2（channelrhodopsin 2， ChR2）是一种广泛用于光遗传学技术（optogenetics）的膜蛋白。光遗传学技术是一种相对较新的技术，涉及利用光来操纵活的有机体中的神经元和肌肉细胞。类似的方法已被用来部分地逆转听力/视力丧失和控制肌肉收缩。

ChR2是一种主要的光遗传学工具。它是一种光敏蛋白，2003年它首次是从一种被称作莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的绿藻中提取出来的。科学家们能够将ChR2插入到活细胞的膜中来控制它。当利用光线照射时，这种蛋白允许带正电的离子穿过细胞膜进入细胞中。在神经元中，这会让它的细胞膜去极化，从而模拟神经冲动的影响和导致这种特定的神经元放电。

鉴于ChR2较快地发挥作用，对细胞相对无害，因此它当前被用来激活神经元。一系列人为诱导的突变能够改变这种蛋白的性质。比如，增加它产生的电流或者改变它作出反应的光线波长是可行的。这些修饰能够让实验者根据需要量身定制蛋白。人们甚至能够将几种对不同波长的光线作出反应的蛋白变体组合使用。

迄今为止，用于修饰ChR2性质的大多数突变或多或少是通过定向进化或已知的蛋白结构数据随机引入的。人们获得的最接近于ChR2实际结构的蛋白是一种奇特的组合物C1C2：它的70%来自紫红质通道蛋白1（ChR1， 它是一种与ChR2存在亲缘关系的蛋白），剩下的30%来自ChR2。这种混合结构不能解释ChR2蛋白的所有性质。结果就是，基于C1C2预测的突变并不是真实的，因此并不太适合用于光遗传学技术中。

为了揭示出ChR2的结构，来自德国、法国、俄罗斯和捷克的研究人员使用了一种被称作X射线衍射的分析技术。这种技术仅用于分析以晶体形式存在的蛋白样品。他们在一种所谓的允许蛋白在不离开膜的情形下自由地移动的立方体脂质中间相（cubic lipid mesophase）中培养ChR2蛋白晶体。他们利用波长大约为1埃的X射线照射他们培养的ChR2蛋白晶体，通过分析X射线在这种蛋白晶体中的衍射情况，成功地解析出ChR2蛋白的结构。相关研究结果发表在2017年11月24日的Science期刊上，论文标题为“Structural insights into ion conduction by channelrhodopsin 2”。

论文通信作者之一、德国马克斯普朗克生物物理研究所高级膜蛋白研究实验室副主任Valentin Borshchevskiy说，“自从2003年发现ChR2以来，人们就试图解析出它的结构。尽管来自世界各地的众多研究小组都想做到这一点，但是这种蛋白在它的自然状态下的结构仍是未知的。如今，鉴于我们解析出它的结构，就能够将有意义的突变引入到这种蛋白中，从而根据特定实验的需要调整它的性质。如果不知道它的结构，我们就必须通过反复试验或者利用相关蛋白的数据来找出有用的突变。”