Нейроны млекопитающих можно контролировать ультразвуком

Экспрессия белка TRPA1 делает клетки млекопитающих чувствительными к ультразвуку. В экспериментах in vivo ген TRPA1 доставили в нейроны определенного участка мозга мышей. Под действием ультразвука нейроны активировались только в этом участке, при этом гематоэнцефалический барьер и поведение мышей не нарушались.

Credit:

tonaquatic19 | 123rf.com

Около десятилетия назад Шрикант Чаласани, доцент Института биологических исследований Солка (США), разработал способ применения ультразвука для стимуляции генетически модифицированных клеток. Новый подход был назван соногенетикой (sonogenetics).

В 2015 году группа Чаласани показала, что экспрессия механорецептора TRP-4 в нейронах Caenorhabditis elegans делает нейроны чувствительными к ультразвуку. Экспрессия TRP-4 в клетках млекопитающих не давала такого эффекта. Ученые задались целью найти белок, который делал бы клетки млекопитающих чувствительными к ультразвуку, и рассказали о результатах поиска в новой статье.

TRP-4 — это порообразующая субъединица канала, который обеспечивает передачу механического стимула. На первом этапе ученые провели скрининг библиотеки из 191 канала и их гомологов на клетках HEK-293T, которые в норме не отвечают на ультразвук, и исследовали изменение концентрации внутриклеточного кальция при ультразвуковой стимуляции. Наиболее сильный ответ на ультразвук обеспечивал белок hsTRPA1, который в организме человека реагирует на ядовитые вещества и активирует ответ на них. Клетки, экспрессирующие hsTRPA1, отвечали на ультразвук частотой от 1 до 7 МГц.

Чтобы понять механизм чувствительности к ультразвуку, ученые секвенировали ген человеческого hsTRPA1 и девяти его гомологов. Оказалось, что у млекопитающих на внутриклеточном N-конце TRPA1 находится высококонсервативный мотив из 61 аминокислоты. Утрата этого мотива приводит к полной нечувствительности к ультразвуку. Кроме того, ответ на ультразвук ингибировался при обработке клеток веществами, деполимеризующими актин. Еще одним важным компонентом передачи ультразвукового сигнала оказался холестерин: клетки, экспрессирующие hsTRPA1, теряли чувствительность к ультразвуку при делеции трансмембранного мотива белка, распознающего холестерин, а также при дефиците холестерина.

На следующем этапе ученые провели эксперименты на мышиных первичных эмбриональных корковых нейронах. Экспрессию hsTRPA1 обеспечивали, инфицируя их конструкцией на основе аденоассоциированного вектора. Как и в экспериментах с HEK-293T, hsTRPA1 стимулировал повышение концентрации кальция внутри клетки в ответ на ультразвук.

Наконец, с помощью аденоассоциированного вектора ученые экспрессировали hsTRPA1 в V слое коры больших полушарий мышей. В норме TRPA1 в мозге отсутствует. При ультразвуковой стимуляции с частотой 7 МГц у мышей активировались нейроны в пределах заданного участка мозга. Ни генно-терапевтические манипуляции, ни стимуляция ультразвуком не привели к нарушению гематоэнцефалического барьера или изменению поведения мышей.

Чаласани надеется, что однажды соногенетика заменит инвазивные методы лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона, а также будет использоваться для активации клеток сердца. Ученые уже работают способами доставки терапевтических белков через гематоэнцефалический барьер. Кроме того, они планируют более подробно изучить механизм ответа на ультразвуковые стимулы и найти новые белки, чувствительные к ним.

Источник

Marc Duque, et al., Sonogenetic control of mammalian cells using exogenous Transient Receptor Potential A1 channels // Nature Communications, 13, published online 9 February, 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-28205-y

Пресс-релиз

Добавить в избранное

Вам будет интересно