image: KR2 rhodopsin monomer (left) and pentamer (right) in the cell membrane, shown as blue disks. In the monomer state, sodium transport is blocked, the orange pore does not permit ion uptake into the protein. view more
Credit: Kirill Kovalev et al./<i>Science Advances</i>
莫斯科物理技术学院、格勒诺布尔大学结构生物学院、座落于格勒诺布尔的欧洲加速综合体（法国）、于利希研究中心、亚琛大学和马克斯·普朗克研究所（德国）的科学家们历史上首次在生理条件下共同发现并研究了KR2视紫红质蛋白的结构。这项开创性的研究预示在当前最有前途的生物医学学科之一，即光遗传学及其实际应用领域，如常见的神经系统疾病方面的新突破。得益于莫斯科物理技术学院的生物物理学家团队领导的国际研究团队的重大发现，临床抑郁症、焦虑症、癫痫、帕金森病等病症都会获得有效的新治疗工具。上述科学家们的科学著作被发表在最有声望的杂质之一，即Science Advances，是美国科学促进会的出版物。
光遗传学是最新的生物物理及生物医学学科，研究在定向辐射暴露下管理生物体神经和肌肉细胞的可能性和实践。最近世界领先的Science杂志甚至将光遗传学宣称为“十年的突破”。今天，光遗传学的方法已经允许部分恢复丧失的视力和听力，以及在因神经系统疾病失去对肌肉控制的情况下，管理肌肉的收缩。但最重要的是，这些方法提供深入研究神经网络（不是计算机的，而是活体的）的机会。这些神经网络负责我们的情绪、作出决定的过程及其他生物体内发生的基本过程。
几年前，在海洋细菌Krokinobacter eikastus的细胞膜中被发现一种新的，以前未知的离子转运种类—视紫红质蛋白，称为KR2。它属于光敏蛋白，这就是被光遗传学所使用的蛋白种类。在光线的影响下，这类的蛋白允许带电的粒子，如离子进入或离开细胞。将这种离子载体蛋白引入神经元膜后，科学家能够在定向辐射脉冲的帮助下，影响神经元细胞膜的电位，从而控制它们的活性。KR2能够有目的地从细胞中除去特定类型的离子 —钠离子。KR2是将上述的离子从细胞里“抽”出的，而不是让它们向两个方向移动，因此科学家为说明如此主动的行为使用英语中的pump这个动词。因此，KR2被称为“泵”。除钠离子外，KR2的突变型体还可以通过细胞膜抽出钾离子。理论上，KR2掺入神经元细胞膜的事实可以提供对神经细胞活性的全部控制机会。
不过，新“泵”的发现所产生的研究浪潮也遇到了视紫红质的一些非常神秘的特性。特别是，在其科学研究过程当中，几组研究员发现并描述了这一有前途的蛋白的结构，是五种彼此不同的结构。值得注意的是，在一部分上述的结构中，五个蛋白分子组成了稳定的五聚体，而其余的仅包含了蛋白质单体。
“那么，我们面对引人注目的问题就是：我们应该将哪个结构认为正确的？”该科学著作的主要作者之一，莫斯科物理技术学院的研究生基里尔·科瓦廖夫说道。“一般来说，所发现的结构都非常相似，但有一句话，魔鬼在于细节：细节决定重新发现的对象在科学和临床实践中的用途。”
这样，由物理技术研究员指导的科学家团队的工作结果显示了新蛋白质令人恐惧的多种结构的起源。事实证明，这是因为不同的研究团队在不完全相同的条件下对KR2进行了研究。同时，该具有独一无二性质的蛋白质由在非常特殊的环境条件下生活在海洋中的细菌合成：该细菌被具有一定盐浓度、酸度、pH值的水而包围。只有在这些条件下，蛋白质才能满足科学家对它的期望，它会抽出钠离子，从而在细胞膜中形成五聚体。事实证明，各种“假”的蛋白质结构要么是结晶假象，要么是KR2差不多不具有全球光遗传学界对它寄予厚望的性质的条件下为发现并研究。
“我们是第一次模拟所谓的KR2存在和运作的生理条件，结果我们描述了新蛋白质的“正确”结构，是在适当的环境条件下产生的结构。我们还证明了，该蛋白质的功能单元就是五聚体。”莫斯科物理技术学院和格勒诺布尔大学结构生物学院的老龄化及年龄相关疾病分子机制研究中心的主任瓦连京·格尔德里伊解释道。“与此同时，我们有了机会解释，在之前进行的众多对象结构研究中造成严重错误的原因。”
专家们认为，知道对光遗传学作为一种真正突破的KR2视紫红质的生理条件下的真正结构，不仅是理解蛋白质运作机制的基础，而且为研究生物体神经系统的运作提供了许多新的可能性，并建立了新的光遗传学工具模拟及将其用于医学实践中的机会。
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Science Advances