Prisma

Durch drei Tore in die Zelle hinein

Wie funktioniert ein molekularer Lichtschalter?

cae | Molekularbiologen des Forschungszentrums Jülich haben die Struktur von Channelrhodopsin 2, einem Ionenkanal, der als „Lichtschalter“ in Nervenzellen eingebaut werden kann, aufgeklärt.

Der aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii isolierte lichtempfindliche Ionenkanal Channelrhodopsin 2 (ChR2) ist die Grundlage der Optogenetik. Nachdem er in ein Neuron eingebaut worden ist, kann dieses durch die kurzfristige Bestrahlung mit blauem Licht „angeschaltet“ werden; denn dann strömen Kationen in die Zelle hinein und ändern deren Aktionspotenzial; dieser Mechanismus wird bereits heute bei lichtstimulierbaren Herzschrittmachern angewendet, die den gestörten Herzrhythmus normalisieren (s. DAZ 2016, Nr. 39, S. 6).

Grafik: O. Volkov
Eintrittspforte in die Zelle. Je zwei intrazelluläre und extrazelluläre Hohlräume (IC1, IC2, EC1, EC2) verbinden sich bei Blaulichtbestrahlung zu einem Ionenkanal. Die Wirkungskaskade beginnt beim Retinal und dem separaten DC-Tor.

Die Aufklärung der Struktur von ChR2 gelang, nachdem es im Einzeller Leishmania tarentolae synthetisiert worden war (LEXSY-Expression), mithilfe der Kristallisation in Lipid-Mesophasen (LCP crystallization) in einer Auflösung von 2,4 bzw. 2,7 Å. Im Zentrum besteht das ChR2 aus einer Reihe von vier Hohlräumen, die durch drei Tore voneinander getrennt sind. Im Ruhezustand verschließen Wassermoleküle diese Tore. Ein weiteres, separates Tor (DC gate) spielt zusammen mit dem im ChR2 verankerten Retinal eine wichtige Rolle für die Funktionsweise des ChR2. Die Wirkungskaskade der Blaulichtbestrahlung setzt hier an. Sie gibt einen Impuls, die Wassermoleküle zu entfernen und dadurch die geschlossenen Tore zu öffnen. So entsteht kurzfristig über die Hohlräume EC1, EC2, IC1 und IC2 ein durchgängiger Kanal, durch den Kationen von außen in die Zelle hineinwandern können (s. Grafik).

Die Strukturaufklärung soll dabei helfen, das ChR2 für verschiedene Gentherapien nutzbar zu machen. Indikationen sind insbesondere neurodegenerative Erkrankungen, aber auch die altersbedingte Makuladegeneration. |

Quelle

Volkov O et al. Structural insights into ion conduction by channelrhodopsin 2. Science 2017;358(6366):eaan8862

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