Mithilfe von optogenetischen Werkzeugen lassen sich Nervenzellen über Licht an- und ausschalten. In der vorliegenden Arbeit koppelten die Forschenden der Ruhr-Universität Bochum gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Göttingen, Berlin, Paris und Essen einen lichtempfindlichen Rezeptor namens Opn4L an einen modifizierten Kaliumkanal namens GIRK1, welcher einen G-Protein-gekoppelten Signalweg aktiviert.
G-Protein-gekoppelte Rezeptoren gehören zu den wichtigsten Signalempfängern in tierischen Zellen. Sie reagieren unter anderem auf Botenstoffe, Medikamente oder Licht und können je nach Zell- und Rezeptortyp unterschiedliche G-Proteine aktivieren und dadurch verschiedene Reaktionen auslösen. Serotonin- und Dopaminrezeptoren sind dafür typische Beispiele: Störungen dieser Signalwege spielen bei Depression, Schizophrenie und Morbus Parkinson eine zentrale Rolle.
In Zellkulturversuchen schleuste die Gruppe das neu entwickelte optogenetische Werkzeug aus Opn4L/GIRK1 in Nervenzellen des Kleinhirns sowie in Herzmuskelzellen ein. Die Versuche in Kleinhirnzellen zeigten: Scheint blaues Licht auf den Rezeptor Opn4L, öffnet sich der damit gekoppelte GIRK-Kanal in der Zellmembran, was einen nachgeschalteten G-Protein-gekoppelten Signalweg aktiviert. Das macht die Zelle weniger erregbar. Die Aktivität der Nervenzellen wird also durch die Aktivierung des optogenetischen Werkzeugs gehemmt.
Auch in menschlichen Herzmuskelzellen funktionierte der optische Schalter. Strahlten die Forschenden blaues Licht auf das Opn4L/GIRK1-Konstrukt, nahm die spontane Schlagfrequenz der kultivierten Zellen ab.
„Wir haben einen optogenetischen Schalter geschaffen, der nicht nur einen Rezeptor aktiviert, sondern gezielt dessen nachgeschalteten Signalweg verstärkt“, erklärt Ida Siveke von der Ruhr-Universität Bochum. „Das erlaubt uns, die Balance zwischen erregenden und hemmenden Signalen in einzelnen Zellen sehr präzise zu beeinflussen.“
„Die neuen optogenetischen Konstrukte könnten daher künftig helfen, die zugrunde liegenden Signalmechanismen in Herzmuskel- und Schrittmacherzellen sowie Neuronen genauer zu untersuchen und zu steuern. Das eröffnet ganz neue Anwendungsgebiete für die Optogenetik“, sagt der Optogenetik-Pionier Stefan Herlitze.
Ruhr-Universität Bochum
Originalpublikation:
Brix Mücher et al.: Improving optogenetic control over Gi/o-coupled receptor signaling by optimized GIRK channel expression, in: Science Signaling, 2026, DOI: 10.1126/scisignal.adw4374, https://www.science.org/doi/10.1126/scisignal.adw4374
