Немецкие ученые Петер Хегеман и Георг Нагель, а также американский исследователь Карл Дейссерот стали лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине. Они разделят приз в 12 млн шведских крон ($1,2 млн) за открытия, связанные со светозависимыми ионными каналами и оптогенетикой. Они разработали метод, который позволяет более тщательно изучать нейронные связи и возвращать человеку зрение и слух. Что нужно знать об оптогенетике — в материале «Известий».
Открытие оптогенетики
• Еще в 1979 году нобелевский лауреат Фрэнсис Крик, один из расшифровщиков структуры ДНК, сформулировал одну из главных проблем, которую предстояло решить в нейробиологии. Он предложил ученым выяснить, как для изучения головного мозга человека включать» или выключать один конкретный тип нейронов, не затрагивая остальные. Крик сам же предположил, что вместо лекарств и электродов, которые действуют слишком «грубо», оптимальным инструментом мог бы стать свет. Однако в то время еще не существовало способа заставить нейроны реагировать на него таким образом.
• Ключом к разгадке могло стать изучение белка родопсин, открытого у животных еще в XIX веке. Он способен уловить свет и передать сигнал дальше по молекулярной цепочке, в конце которой открывается или закрывается ионный канал — основа электрической жизни клеток. Но по сути родопсин является лишь посредником в биохимических реакциях и работает довольно медленно, что делало его непригодным для проведения экспериментов на нейронном уровне.
В Швеции стартует Нобелевская неделя. Что нужно знать
• Приблизиться к решению проблемы помогло изучение одноклеточной зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii (хламидомонада Рейнгардта), которая способна плыть к свету. Немецкий биохимик Петер Хегеман предположил, что чрезвычайно высокая скорость, с которой водоросль реагирует на свет, говорит о наличии у нее особого белка, в рамках которого уже есть собственный ионный канал.
• В начале 2000-х Хегеман вместе с электрофизиологом Георгом Нагелем обнаружил этот принципиально новый белок. Ученые назвали его каналородопсином-1 (ChR1). Вскоре они нашли и описали его «родственника» каналородопсин-2 (ChR2). Если первый способен пропускать только ионы водорода (по сути протоны), то второй проводит уже положительно заряженные ионы прочих элементов, в том числе натрия, который чрезвычайно важен для генерации нервных импульсов. Хегеману и Нагелю удалось вживить новый белок в мембраны яйцеклеток лягушки и эмбриональных почек человека. Каждый раз, когда на них направлялся синий свет, клетки с ChR2 мгновенно начинали пропускать электрический ток.
• Результаты Хегемана и Нагеля привлекли внимание американского нейробиолога Карла Дейссерота. Получив от немецких коллег клон гена ChR2, он смог поместить его в нервные клетки млекопитающих, сделав это сначала с нейронами крыс, а затем — с мозгом живых мышей. В результате клетки с ChR2 стали генерировать нервный импульс при попадании света на них. Метод, позволяющий управлять нейронами с помощью света, получил название оптогенетика.
Значение оптогенетики для медицины и биологии
• В первую очередь оптогенетика дала возможность изолированно активировать или подавлять конкретные пути, соединяющие разные отделы мозга. Это дает ученым гораздо более ясную картину того, как распределенные сети нейронов обеспечивают сложные функции психики. С помощью оптогенетики можно исследовать нервные цепи, связанные с памятью, страхом, тревогой, вознаграждением, зависимостями, сном и бодрствованием.
• Важнейшей функцией оптогенетики является изучение механизмов заболеваний мозга, таких как болезнь Паркинсона, аутизм, шизофрения и прочие неврологические и психиатрические расстройства. С помощью оптогенетических методов можно установить причинно-следственные связи между активностью мозга и поведением в здоровом и больном состояниях. До открытий Хегемана, Нагеля и Дейссерота ученые не имели столь же точных инструментов для исследования болезней мозга.
• Оптогенетические исследования на животных уже позволили разработать новую терапию от эпилепсии, которая у мышей значительно увеличивала время до первого приступа, повышала выживаемость и снижала судорожную активность. Также при экспериментах удалось восстановить двигательное поведение, нарушенное при болезни Паркинсона. Другие исследования позволили снизить у крыс и мышей наркозависимость и депрессию.
Рецепт на счастье: россиянам стали чаще прописывать антидепрессанты
Около 40% клиентов жалуются психологам на тревогу и стресс, 38% — на депрессию
• Хотя в основном оптогенетика создает задел для будущих прорывных исследований, с ее помощью удалось добиться и конкретных результатов. Так, ученым удалось частично восстановить зрение, потерянное при пигментном ретините — наследственном заболевании сетчатки глаза, при котором погибают фоторецепторы. В 2021 году слепому пациенту, прошедшему терапию на основе оптогенетики, удалось обнаружить и посчитать предметы.
• Следующий прорыв может произойти с усовершенствованием кохлеарных имплантов, которые используются для возвращения слуха. Обычно они преобразовывают звук в электрический импульс, который направляется в ушную улитку и бьет по слуховому нерву, отчего в мозг поступает сигнал. Однако благодаря оптогенетике существует возможность заменить электрический ток, не способный обеспечить высокую разборчивость при восприятии звуков, на световой сигнал, который позволит более точно понимать речь.
Комментарии 0