Белок «магнето»: генетически разработан для управления мозгом и поведением

Исследователи в Соединенных Штатах разработали новый метод управления цепями мозга, связанными со сложным поведением животных, используя генную инженерию для создания намагниченного белка, который активирует определенные группы нервных клеток на расстоянии.

Понимание того, как мозг формирует поведение, - одна из конечных целей нейробиологии и один из самых сложных вопросов. В последние годы исследователи разработали ряд методов, которые позволяют им удаленно управлять определенными группами нейронов и исследовать работу нейронных цепей.

Самым мощным из них является метод под названием оптогенетика, который позволяет исследователям включать или выключать популяции связанных нейронов в масштабе времени миллисекунды за миллисекундами с помощью импульсов лазерного света. Другой недавно разработанный метод, названный хемогенетика, использует искусственные белки, которые активируются дизайнерскими лекарствами и могут быть нацелены на определенные типы клеток.

Несмотря на свою мощь, оба эти метода имеют недостатки. Оптогенетика является инвазивной и требует введения оптических волокон, которые доставляют световые импульсы в мозг, и, кроме того, степень проникновения света в плотную ткань мозга сильно ограничена. Хемогенетические подходы преодолевают оба этих ограничения, но обычно вызывают биохимические реакции, которые требуют нескольких секунд для активации нервных клеток.

Новая методика, разработанная в Али Гюлерлабораторию Университета Вирджинии в Шарлоттсвилле и описано в предварительной онлайн-публикации в журнале Nature Neuroscience, не только неинвазивен, но также может быстро и обратимо активировать нейроны.

Несколько более ранних исследований показали, что белки нервных клеток, активируемые теплом и механическим давлением, могут быть генетически сконструированы таким образом, чтобы они становились чувствителен к радиоволнам и магнитные поля, прикрепляя их к белку, запасающему железо, называемому ферритином, или к неорганическим парамагнитным частицам. Эти методы представляют собой важный шаг вперед - они, например, уже использовались для регулируют уровень глюкозы в крови у мышей - но включают несколько компонентов, которые необходимо вводить отдельно.

Новый метод основан на этой более ранней работе и основан на белке TRPV4, который чувствителен как к температуре и растягивающие силы. Эти стимулы открывают его центральную пору, позволяя электрическому току проходить через клеточную мембрану; это вызывает нервные импульсы, которые проходят в спинной мозг, а затем в головной мозг.

в естественных условиях манипулирование поведением рыбок данио с помощью Magneto. Личинки рыбок данио проявляют сворачиваемость в
реакция на локализованные магнитные поля. От Уиллера и др. (2016).

Гюлер и его коллеги предположили, что силы магнитного момента (или силы вращения) могут активировать TRPV4, открывая его центральную пору, и поэтому они использовали генную инженерию для слияния белка с парамагнитной областью ферритина вместе с короткими последовательностями ДНК, которые сигнализируют клеткам о переносе. белки к мембране нервной клетки и вставляют их в нее.

Когда они ввели эту генетическую конструкцию в клетки эмбриональной почки человека, растущие в чашках Петри, клетки синтезировали белок «Магнето» и вставили его в свою мембрану. Приложение магнитного поля активировало сконструированный белок TRPV1, о чем свидетельствует временное увеличение концентрации ионов кальция в клетках, которое было обнаружено с помощью флуоресцентного микроскопа.

Затем исследователи вставили последовательность ДНК Магнето в геном вируса вместе с геном, кодирующим зеленый флуоресцентный белок, и регуляторными последовательностями ДНК, которые вызывают экспрессию конструкции только в определенных типах нейронов. Затем они ввели вирус в мозг мышей, нацелив его на энторинальную кору, и препарировали мозг животных, чтобы идентифицировать клетки, излучающие зеленую флуоресценцию. Затем с помощью микроэлектродов они показали, что приложение магнитного поля к срезам мозга активирует Магнето, так что клетки производят нервные импульсы.

Чтобы определить, можно ли использовать Magneto для управления нейрональной активностью у живых животных, они вводили Magneto личинкам рыбок данио, нацеливаясь на нейроны в туловище и хвосте, которые обычно контролируют реакцию бегства. Затем они поместили личинок рыбок данио в специально построенный намагниченный аквариум и обнаружили, что воздействие магнитного поля вызывает маневры наматывания, аналогичные тем, которые происходят во время реакции на побег. (В этом эксперименте участвовало всего девять личинок рыбок данио, и последующий анализ показал, что каждая личинка содержала около 5 нейронов, экспрессирующих Магнето.)

Прочитайте полную историю здесь…