Channelrhodopsin

Juliana Baptista RA 11021711

Fábio RA

[1]

Justificativa • Utilidade para a neurociência.

• Transforma luz em eletricidade (só isso já é razão suficiente para se interessar por ela).

• Encontramos a Channelrhodopsin em uma palestra do TED¹. Nessa palestra Ed Boyden – que lidera um grupo de neurobiologia o qual inventa tecnologias para revelar como cognição e emoção surgem de redes do cérebro, e para permitir o reparo sistemático de desordens tais como a epilepsia e DEPT – revela como o uso da proteína foi essencial para sua pesquisa

¹ - http://www.ted.com/talks/ed_boyden.html

(TED,Technology Entertainment Design, é uma organização sem fins lucrativos dedicada ao Ideas Worth Spreading)

A Proteína • Encontram-se em dois modelos estruturais opsin-1 e opsin-2

(ChR1 e ChR2).

• É encontrada em uma espécie de alga verde unicelular: Chlamydomonas reinhardtii (3005, NCBI*[10]).

Chlamydomonas reinhardtii

• A proteína é um componente da membrana plasmática do Eyespot (Stigma) da Chlamydomonas

reinhardtii.

• ChR1 e ChR2 trabalham como canais de íons, usando da luz para controlar a excitabilidade elétrica, a acidez intracelular, e o influxo de cálcio dentre outros processos.

• A Channelrhodopsin é um

exemplo de proteína Retinylidene.

Estrutura Proteínas Retinylidene: Família de proteínas que usam

retinaldeído (retinal), como cromofóros¹ para a recepção de luz. As Rhodopsinas constituem-se em duas partes: parte não proteica (co-fator) + parte proteica (retinaldeído).

1- “Um cromóforo é a parte de uma molécula responsável pela sua cor. A cor surge quando uma molécula absorve certos comprimentos de onda da luz visível e transmite ou reflete outras. O cromóforo é uma região da molécula, onde a diferença de energia entre dois diferentes orbitais moleculares cai dentro da gama do espectro visível. A luz visível que incide sobre o cromóforo pode, assim, ser absorvida pelos elétrons excitando-os de seu estado fundamental para um estado animado.” - IUPAC Gold Book Chromophore.

Retinaldeído IUPAC: (2E,4E,6E,8E)-3,7-dimethyl-9-(2,6,6-trimethylcyclohexen-1-yl)nona-2,4,6,8-tetraenal

• Essas proteínas também são chamadas de opsins.

A estrutura principal da proteína constitui-se

em:

9 alfa-hélices (no interior desse bolo temos a atividade

cromofórica),

6 beta-turn

6 beta-strand

resíduos

(RET A, OLA 502, OLA 501, OLA 505, OLA 504).

Função biológica mais estrutura

O ChR2 absorve luz azul. Essa luz azul é absorvida no limite de um fóton para cada trans-retinal. Quando toda sua parte trans- retinal absorve os fótons, isso induz uma mudança conformacional de todos os 13 trans para cis-retinal. Assim a proteína abre um poro de 6Å. Isso tudo em questão de milisegundos, voltando depois ao estado original (trans), fechando o poro e parando o fluxo de íons - canal de íons (H+, Na+, K+, e Ca2+). [2]

• O C-terminal da channelrhodopsin2 pode ser alterado (o resíduo C128 é modificado), criando uma mutação da proteína tornando-a supersensível. Ela acabe se abrindo após um impulso de luz azul e se fechando por meio de um impulso de luz verde ou amarela.

O ChR2 sensível ao azul e a harlodopsin sensível ao amarelo juntos permitem múltiplas atividades de cores óptica e silenciamento de atividade neural com precisão de milissegundos. [3]

Aplicações

Através desse dispositivo aplicações como fotoestimulação de neurônios para sondar os circuitos neurais são possíveis.

• “A ChR2 marca por fluorescência axônios e sinapses estimulados por luz, os quais podem ser identificados como tecido cerebral intacto. Isto é útil para estudar os eventos moleculares durante a indução de plasticidade sináptica. ChR2 foi usada para mapear as conexões de longo alcance de um lado do cérebro para o outro, e para mapear a localização espacial de entradas na árvore dendrítica de neurônios individuais.” [4][5][6][7]

• “O comportamento dos animais transgênicos expressando ChR2 em subpopulações de neurônios pode ser controlado remotamente por luz azul intenso. Isto tem sido demonstrado em nematóides, moscas de fruta, peixe-zebra, e nos ratos. A função visual em ratos cegos pode ser parcialmente restaurada por expressar ChR2 em células da retina interna. No futuro, ChR2 poderá encontrar aplicações médicas, por exemplo, em formas de degeneração da retina ou para a estimulação cerebral profunda.” [8][9]

[11] ~200,00 pessoas têm implantes estimuladores elétricos ~600 pessoas estiveram seguramente sobre tratamento de terapia genética com o AAV. (O AAV, adeno-associated virus, é um vírus que até então não causa doenças a humanos) Testes pré-clínicos de Controle através da luz estão a caminho.

Referências Bibliográficas Conteúdo texto • [2] - Nagel G, Szellas T, Huhn W, et al. (November 25, 2003). "Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-

selective membrane channel". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100 (24): 13940–5.doi:10.1073/pnas.1936192100. PMC 283525.PMID 14615590.

• [3] - Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., and Deisseroth, K. (2005). "Millisecond-timescale, genetically-targeted optical control of neural activity".Nature Neuroscience 8 (9): 1263–1268.doi:10.1038/nn1525. PMID 16116447.

• [4] - Zhang YP, Oertner TG (February 2007). "Optical induction of synaptic plasticity using a light-sensitive channel". Nat. Methods 4 (2): 139–41. Doi:10.1038/nmeth988. PMID 17195846.

• [5] - Zhang YP, Holbro N, Oertner TG (August 2008)."Optical induction of plasticity at single synapses reveals input-specific accumulation of alphacamkii".Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105 (33): 12039–44.doi:10.1073/pnas.0802940105. PMC 2575337.PMID 18697934.

• [ 6] - Petreanu L, Huber D, Sobczyk A, Svoboda K (May 2007). "Channelrhodopsin-2-assisted circuit mapping of long-range callosal projections". Nat. Neurosci. 10 (5): 663–8. Doi:10.1038/nn1891. PMID 17435752.

• [ 7] - Petreanu L, Mao T, Sternson SM, Svoboda K (February 2009). "The subcellular organization of neocortical excitatory connections". Nature 457 (7233): 1142–5. Doi:10.1038/nature07709. PMC 2745650.PMID 19151697.

• [8] - Douglass AD, Kraves S, Deisseroth K, Schier AF, Engert F (August 2008). "Escape behavior elicited by single, channelrhodopsin-2-evoked spikes in zebrafish somatosensory neurons". Curr. Biol. 18 (15): 1133–7.doi:10.1016/j.cub.2008.06.077. PMC 2891506.PMID 18682213.

• [9] - Huber D, Petreanu L, Ghitani N, Ranade S, Hromádka T, Mainen Z, Svoboda K (January 2008)."Sparse optical microstimulation in barrel cortex drives learned behaviour in freely moving mice". Nature 451(7174): 61–4. Doi:10.1038/nature06445.PMC 3425380. PMID 18094685.

• Http://www.kurzweilai.net/using-light-to-create-a-more-reliable-pacemaker • Http://www.metamicrobe.com/chlamy/ Chlamydomonas Center Http://www.els.net/wileycda/elsarticle • Sakmar T (2002). "Structure of rhodopsin and the superfamily of seven-helical receptors: the same and not the

same". Curr Opin Cell Biol 14 (2): 189–95. Doi:10.1016/S0955-0674(02)00306-X.PMID 11891118. • Nagel G, Szellas T, Kateriya S, Adeishvili N, Hegemann P, Bamberg E (2005). "Channelrhodopsins: directly light-

gated cation channels". Biochem Soc Trans 33 (Pt 4): 863–6.doi:10.1042/BST0330863. PMID 16042615. • G Protein-Coupled Receptor Data Base • Terakita A (2005). "The opsins". Genome Biol 6 (3): 213. Doi:10.1186/gb-2005-6-3-

213. PMC 1088937. PMID 15774036.

• RCSB PDB - http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?Structureid=3UG9

• PDBe - http://www.ebi.ac.uk/pdbe-srv/view/entry/3ug9/summary

• AmiGO - http://amigo.geneontology.org/cgi-bin/amigo/term_details?Term=GO:0016020

• [10] NCBI - http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Browser/wwwtax.cgi?Mode=Info&id=3055

Imagem

• [1] Biological assembly 1 assigned by Kato, H.E., Ishitani, R., Nureki, O. And generated by PISA .

• Http://deepbluehome.blogspot.com.br/2010/10/life-stirs-oceans.html (Chlamydomonas reinhardtii)

• [11] Retirada da palestra do Ed Boyden no TED.