Des chercheurs découvrent un nouveau canal potassique transmettant la lumière dans les neurones – Neuroscience News

Aperçu: Les chercheurs rapportent qu’ils ont identifié les premières rhodopsines naturelles à canaux potassiques sensibles à la lumière.

La source: Collège de médecine Baylor

Une approche importante pour comprendre le cerveau consiste à observer les effets comportementaux de l’activation de populations spécifiques de neurones. L’une des approches les plus populaires pour contrôler l’activité neuronale dans les systèmes modèles est appelée optogénétique et repose sur l’expression de canaux microbiens pilotés par la lumière dans les neurones d’intérêt.

Ces canaux agissent comme des interrupteurs sensibles à la lumière, allumant les neurones avec un flash de lumière, et sont disponibles depuis 2005. Un moyen critique de confirmer la fonction des populations neuronales serait de répéter l’expérience, mais cette fois en les fermant ou en les faisant taire. mêmes sous-populations neuronales. Cependant, jusqu’à présent, la communauté des neurosciences manquait d’un moyen rapide et puissant pour désactiver ou faire taire les neurones.

Des chercheurs du Centre des sciences de la santé de l’Université du Texas à la Houston McGovern Medical School, au Baylor College of Medicine, à l’Université Rice et à l’Université de Guelph, Ontario, Canada, ont signalé une nouvelle classe de canaux guidés par la lumière qui promettent d’ouvrir la voie à une et un silence neuronal optique efficace.

Publié dans Neurosciences naturellesles chercheurs décrivent comment ils ont identifié les premières rhodopsines (KCR) à canaux potassiques (potassium) naturels sensibles à la lumière.

« Un canal potassique activé par la lumière a longtemps été recherché comme amortisseur de neurones, car la conduction potassique hyperpolarise naturellement et universellement les membranes neuronales, met fin aux potentiels d’action et ramène les neurones dépolarisés à leur potentiel membranaire au repos », a déclaré l’auteur principal de l’étude, le Dr. John Spudich, titulaire de la chaire distinguée Robert A Welch en chimie à la McGovern Medical School.

En utilisant un criblage systématique d’opsines non caractérisées (protéines qui se lient à des produits chimiques sensibles à la lumière) pour leurs propriétés électrophysiologiques, les chercheurs ont recherché une rhodopsine de canal avec une sélectivité potassique insaisissable en utilisant un criblage photocourant patch-clamp de gènes codant pour l’opsine sans fonction connue exprimée dans les cellules HEK293.

« Notre stratégie de criblage met l’accent sur les opsines d’organismes qui diffèrent dans leur métabolisme et dans leur habitat des organismes contenant de l’opsine précédemment étudiés, et par conséquent, ils sont plus susceptibles d’avoir développé différentes fonctions d’opsine adaptées à différentes pressions sélectives au cours de leur évolution. » « , a déclaré Spudich.

« Cette stratégie nous a conduits à deux gènes codant pour l’opsine du génome séquencé d’Hyphochytrium catenoides, un protiste de type fongique non photosynthétique et hétérotrophe, à la fois phylogénétiquement et physiologiquement éloigné des algues contenant les CCR sélectifs au sodium étroitement apparentés. »

« Nous avons découvert que les rhodopsines à deux canaux de H. catenoides – nous avons nommé HcKCR1 et HcKCR2, pour les rhodopsines 1 et 2 des canaux potassiques de H. catenoides – étaient hautement sélectives pour le potassium par rapport au sodium, contrairement à toute autre rhodopsine à canal connue », a déclaré le Dr. Elena Govorunova, professeure associée au laboratoire Spudich et première auteure.

« Notamment, le rapport de perméabilité (PK/PNa) de 23 fait de HcKCR1 un puissant outil hyperpolarisant pour supprimer les neurones excitables qui se déclenchent lors de l’illumination. »

Le laboratoire du Dr. Mingshan Xue des laboratoires Baylor et Cain Foundation, Jan et Dan Duncan Neurological Research Institute du Texas Children’s Hospital, ont ensuite testé ces nouveaux outils dans les neurones.

« Lorsque mon étudiant Yueyang Gou a exprimé HcKCR1 dans des neurones de souris et appliqué un flash de lumière, les neurones sont devenus électriquement silencieux. Ce canal surmonte de nombreuses limitations des inhibiteurs précédents et sera un outil essentiel pour nous aider à comprendre les fonctions cérébrales », a déclaré Xue, membre du corps professoral de Baylor et co-auteur de ce travail.

L’étudiant diplômé Xiaoyu Lu du laboratoire St-Pierre de l’Université Baylor et Rice a ensuite montré que le silence peut également être obtenu en utilisant l’excitation à deux photons, une technique populaire pour cibler les neurones individuels in vivo avec une résolution spatio-temporelle élevée. .

« Le contrôle à deux photons des KCR peut permettre aux neuroscientifiques de déchiffrer quels neurones sont cruciaux pour un comportement spécifique et quand leur activité est importante », a déclaré le Dr. François St-Pierre, professeur adjoint de neurosciences à Baylor et scientifique de McNair, et co-auteur de ces travaux.

«Ce travail est un excellent exemple de la façon dont les collaborations multi-institutionnelles à Houston fournissent une recherche innovante. Houston est en train de devenir un emplacement de choix pour le développement et l’application de neurotechnologies moléculaires avancées », a déclaré St-Pierre.

À l’avenir, le groupe évaluera la capacité des KCR à faire taire les neurones in vivo et continuera à étudier leurs mécanismes biophysiques pour développer des variantes encore meilleures. À long terme, ils espèrent également que les KCR pourraient être utilisés dans le traitement des canalopathies potassiques telles que l’épilepsie, la maladie de Parkinson et le syndrome du QT long, et d’autres arythmies cardiaques.

À propos de cette actualité de la recherche en neurosciences

Auteur: Graciela Gutiérrez
La source: Collège de médecine Baylor
Contact: Graciela Gutierrez – Collège de médecine Baylor
Image: L’image est dans le domaine public

Recherche originale : Accès fermé.
« Découverte de canaux potassiques photosensibles recherchés depuis longtemps : rhodopsines de canaux potassiques naturels » par John Spudich et al. Neurosciences naturelles

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Résumé

Découverte de canaux potassiques photosensibles recherchés depuis longtemps : les rhodopsines naturelles des canaux potassiques

Nous rapportons des canaux dirigés par la lumière chez un protiste fongique qui sont hautement sélectifs pour K⁺ à propos de Na⁺.

Ces canaux microbiens de rhodopsine, appelés rhodopsines de canaux potassiques, permettent une inhibition robuste des neurones corticaux de souris avec une précision d’une milliseconde.

De plus, les channelrhodopsines potassiques révèlent un mécanisme jusqu’alors inconnu pour la sélectivité du potassium.