Nature封面成果：光敏感通道

光遗传学技术Optogenetics(optical stimulation plus genetic engineering 光刺激基因工程/光遗传学)是2010年Nature杂志评出的年度技术，近年来在这一领域获得了不少重要的成果，近期来自日本东京大学，美国斯坦福大学等处的研究人员报道了两个光敏感通道构成的一个嵌合体的X-射线晶体结构，这将有助于光遗传学的发展，这一成果公布在2月16日Nature杂志上，并被作为封面文章推荐。

　　生物通报道：光遗传学技术Optogenetics(optical stimulation plus genetic engineering 光刺激基因工程/光遗传学)是2010年Nature杂志评出的年度技术，近年来在这一领域获得了不少重要的成果，近期来自日本东京大学，美国斯坦福大学等处的研究人员发表了题为“Crystal structure of the channelrhodopsin light-gated cation channel”的文章，报道了两个光敏感通道构成的一个嵌合体的X-射线晶体结构，这将有助于光遗传学的发展，这一成果公布在2月16日Nature杂志上，并被作为封面文章推荐。

（Nature杂志封面，图片来源：Hiroshi M. Sasak）

领导这一研究的是东京大学Osamu Nureki，与斯坦福大学的Karl Deisseroth副教授，其中Deisseroth副教授曾开发出多种光遗传学技术新方法，比如其研究组曾经利用光遗传学技术开展多项试验对工程动物的中枢神经系统进行研究。

光敏感通道（channelrhodopsins）是一种受光脉冲控制的具有7次跨膜结构的非选择性阳离子通道蛋白，自1991年从莱茵衣藻中发现后被许多实验室所关注，由于这一通道可以快速形成光电流，使细胞发生去极化反应的电生理特性，因此已被广泛应用于神经系统的研究。与传统的神经系统研究方法如电生理技术、神经药理学方法相比，这一方法具有更高的空间选择性和特异性，作为光遗传学技术的核心组成部分，这一领域的研究吸引了不少科学家的关注。

在这篇文章中，研究人员报道了两个光敏感通道构成的一个嵌合体的X-射线晶体结构（2.3 Å），光敏感通道在神经科学研究中扮演了重要角色，但是有关它的分子作用机制至今了解的并不多，这项研究就通过其晶体结构，揭示了光敏感通道的结构，及电生理作用机制，结果表明这一离子通道的分子架构包括与视网膜相结合的区域和阳离子通道。这将有助于揭示光敏感通道的功能，并且为光遗传学更好的利用光敏感通道提供了更加精确的信息。

生命现象离不开细胞发挥着各种功能。实时了解细胞间的活动状况是揭开复杂生命谜团和疾病治疗方法获取的重要途径。在保护头盖骨的同时，对处理大脑庞大信息的大量神经细胞活动进行实时性成像是非常困难的。因此研究人员开发了各种方法，包括光遗传学技术进行探索。

去年来自斯坦福大学的华裔研究组则接连设计了几种新颖的光遗传学工具，可以更好的分析活体哺乳动物大脑神经环路生理现象，比如他们将光遗传学技术结合细菌人工染色体（BAC）转基因策略成功构建了四种神经元可被蓝光激活的转基因小鼠动物模型。

除此之外，Bamberg研究组的一项最新成果：看似简单的融合方法解决了光遗传学研究的一大问题。之前的研究表明channelrhodopsin-2受到蓝光的刺激时，会导致阳离子通过细胞膜，细胞去极化，神经元激活，而盐菌紫质（halorhodopsin）在受到橙色光的刺激时，则会引发氯离子通过细胞膜，细胞极化，阻止细胞激活。

这些成果都有利用更好的通过光遗传学分析生物现象，当然要实现这些方法并不容易，比如Bamberg研究组这项成果，因为当细胞表达两种光遗传学蛋白的时候，它们表达两种蛋白的表达水平不均衡，一种可能很多，而另一种可能很少。而且不同细胞的表达比率也不一致。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Crystal structure of the channelrhodopsin light-gated cation channel

Channelrhodopsins (ChRs) are light-gated cation channels derived from algae that have shown experimental utility in optogenetics; for example, neurons expressing ChRs can be optically controlled with high temporal precision within systems as complex as freely moving mammals. Although ChRs have been broadly applied to neuroscience research, little is known about the molecular mechanisms by which these unusual and powerful proteins operate. Here we present the crystal structure of a ChR (a C1C2 chimaera between ChR1 and ChR2 from Chlamydomonas reinhardtii) at 2.3 Å resolution. The structure reveals the essential molecular architecture of ChRs, including the retinal-binding pocket and cation conduction pathway. This integration of structural and electrophysiological analyses provides insight into the molecular basis for the remarkable function of ChRs, and paves the way for the precise and principled design of ChR variants with novel properties