Нейроученые из Вашингтонского и Калифорнийского университетов научились включать и выключать цепочки дофаминергических нейронов головного мозга, ответственных за систему вознаграждения. “Переключателем” стал белок из шишковидной железы миноги. В будущем эти методы, возможно, помогут лечить зависимости и расстройства настроения. Своим открытием ученые поделились в журнале Neuron.
Минога. Credit: public domain
Вот уже более пятнадцати лет как оптогенетические методы стали мощнейшим инструментом нейробиологических исследований. Они позволяют управлять нейронами прямо в живом мозге. Для этого в геном нейронов вводят ген светочувствительного белка, и нервные клетки “учатся” реагировать на свет с определённой длиной волны. От световых импульсов нейроны могут как активироваться, так и “засыпать”, переставая отвечать на сигналы от нейронов-соседей.
Активировать нейроны светом удалось научиться достаточно легко, а вот быстрое и обратимое их торможение оказалось более трудной задачей.
Белок парапинопсин, обнаруженный в миноге — одном из последних бесчелюстных животных на Земле — относится к типу GPCR (G-protein-coupled receptors). К этому же типу относится знаменитый родопсин — светочувствительный пигмент, с которого и началась оптогенетика. Такие рецепторы обнаружены только в клетках эукариот: у дрожжей, растений, протистов и животных. Они участвуют в работе органов зрения, обоняния, регулируют поведение, функционирование иммунной и нервной систем.
Например, белок парапинопсин, обнаруженный у миноги, позволяет ей адаптироваться к суточным и сезонным изменениям окружающей среды.
Впервые парапинопсин у миноги обнаружили в лаборатории в Японии. Тогда было установлено, что этот белок активируется ультрафиолетом и подавляется желтым светом. Это не подходило для работы in vivo — многие клетки и микроорганизмы не выживут после ультрафиолетового воздействия.
Парапинопсин, который активируется ультрафиолетом и выключается желтым светом / Credit: Bryan A. Copits et al. / Neuron, 2021
Американским исследователям удалось подобрать нужную длину волны синего цвета и мощность излучения, которое не вредит клеткам, но активирует белок. Также они предположили, что активация рецептора препятствует высвобождению глутамата, ГАМК и дофамина в пресинаптических окончаниях, что уменьшает стремление получить вознаграждение.
Сперва эксперимент провели в пробирке на культуре нейронов дорсальных корневых ганглиев (DRG) и клетках линии HeLa. Белок отлично экспрессировался на мембране и тех, и других клеток.
Затем ген парапинопсина упаковали в вирусную частицу и отправили в средний мозг мышей, нацеливаясь на дофаминергические нейроны. Также им имплантировали оптические волокна, по которым поставлялся свет. Исследователи убедились, что белок экспрессируется, а затем установили, что синий свет подавляет электрическую активность модифицированных нейронов.
Введение парапинопсина и его экспрессия // Credit: Bryan A. Copits et al. / Neuron, 2021
После этого ученые протестировали, стремятся ли мыши получить вознаграждение. Животные выполняли простую задачу и получали сахар. Однако когда активность нейронов подавлялась синим светом, мыши меньше стремились получить вознаграждение.
В другом эксперименте мышам в специальной камере ввели кокаин. Животные, на чьи нейроны воздействовали светом, в отличие от контрольной группы, в дальнейшем относились к этой камере с равнодушием. Кокаин их не сильно заинтересовал. Важно, что двигательная активность мышей из двух групп совпадала, т. е. стимуляция воздействовала на мозг избирательно. Когда она прекратилась, поведение животных восстановилось.
По словам авторов исследования, открытие позволит больше узнать о работе мозга и разработать новые методы лечения стресса, депрессии, зависимости и боли.
Текст: Вера Васильева
A photoswitchable GPCR-based opsin for presynaptic inhibition by Bryan A. Copits et al in Neuron. Published May 2021
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.04.026
