André Berndt
Humboldt-Preis für seine Dissertation
Mechanismus und anwendungsbezogene Optimierung von Chan-nelrhodopsin-2
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Zusammenfassung
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Pflanzen und Tiere reagieren auf Licht, indem in ihren Zellen lichtsensitive Proteine, die sogenannten Photorezeptoren, angeregt und aktiviert werden. Channelrhodopsin-2 (ChR2) ist ein Photorezeptor, der sich in der ?u?eren Zellmembran der einzelligen Alge Chlamydomonas reinhardtii befindet und nach Anregung ein elektrisches Signal ausl?st. ChR2 wird, wie alle Proteine, aus verschiedenen Aminos?uren aufgebaut und enth?lt zus?tzlich den lichtempfindlichen Farbstoff Retinal. Die Anregung durch Licht führt zu strukturellen ?nderungen im Protein. Dadurch bildet sich eine Pore durch die positiv geladenen Ionen über die Zellmembran flie?en. Der genaue Mechanismus der Poren?ffnung und Ionenleitung war aber bislang unklar. Daher habe ich gezielt einzelne Aminos?uren ausgetauscht und durch andere ersetzt. Einige dieser Mutationen führten zu einer schnelleren oder langsameren Poren?ffnung. Die beteiligten Aminos?uren müssen daher an der Aktivierung des Proteins beteiligt sein. Andere Mutationen führten dagegen zu einem verst?rkten oder verminderten Fluss bestimmter Ionenspezies wie Protonen, Natrium- und Kalziumionen. Daraus folgerte ich, dass die entsprechenden Aminos?uren am Aufbau der Pore beteiligt sind. Um dies zu verdeutlichen, habe ich verschiedene mathematische Modelle an meine Ergebnisse angepasst. Demnach führt die Lichtanregung zun?chst zu ?nderungen in der Struktur und Polarisation von Retinal, die von der Aminos?ure Cystein 128 detektiert werden und zur Poren?ffnung führen. Ich konnte zeigen, dass die ge?ffnete Pore in mindestens zwei verschiedenen Formen vorliegt, die Ionen unterschiedlich stark leiten. Die ?berg?nge zwischen den Porenformen werden von der Aminos?ure Glutamat 123 kontrolliert, w?hrend an der Porenbildung Glutamat 90, Histidin 134 und Glutamat 235 beteiligt sind. Aufgrund deren Lage im Protein folgerte ich, dass die Pore durch jedes einzelne ChR2 Molekül verl?uft und nicht, wie alternativ vorgeschlagen wurde, durch den Zusammenschluss mehrerer Moleküle entsteht.
Die gro?e Relevanz von ChR2 ergibt sich aus dessen Anwendung in den Neurowissenschaften. Durch die Einschleusung dieser Proteine in Nervenzellen lassen sich deren elektrische Signalweitergabe und damit die Kommunikation mit anderen Nervenzellen durch Licht kontrollieren. Dadurch wurde in den letzten Jahren ein v?llig neuer Forschungszweig, die Optogenetik, etabliert.???????
Der Austausch von Aminos?uren führte zu ChR2 Varianten mit neuen biophysikalischen Eigenschaften, die das Anwendungsspektrum von Channelrhodopsin-2 in der Optogenetik vergr??ern. Insgesamt konnten in Zusammenarbeit mit Neurowissenschaftlern drei neue Varianten entwickelt werden. 1. Die Step Function Opsine (SFO) bleiben nach einer kurzen Anregung mit blauem Licht teilweise minutenlang ge?ffnet. Sie k?nnen aber durch grünes Licht sofort inaktiviert werden. Enth?lt ein Neuron SFO, kann man es durch Licht verschiedener Wellenl?nge zwischen einem aktiven und inaktiven Zustand hin und her schalten. 2. Die ChR2 Variante ChETA besitzt beschleunigten Kinetiken und erlaubt es in Nervenzellen elektrische Signale mit sehr hoher Frequenz auszul?sen. 3. Die natürliche Aktivit?t von ChR2 ?ist relativ klein und reicht in einigen F?llen nicht aus, um Neurone durch Licht anzuregen. Eine meiner Varianten besitzt eine bis zu zwei Mal gr??ere Aktivit?t und regt Nervenzellen daher mit einer h?heren Zuverl?ssigkeit an.
Das ist allerdings erst der Anfang. In Zukunft k?nnen durch die detailierten Kenntnisse des ChR2 Mechanismus weitere anwendungsoptimierte Varianten entwickelt werden.
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