Structural foundations of optogenetics: Determinants of channelrhodopsin ion selectivity
Notice bibliographique
Résumé
The structure-guided design of chloride-conducting channelrhodopsins has illuminated mechanisms underlying ion selectivity of this remarkable family of light-activated ion channels. The first generation of chloride-conducting channelrhodopsins, guided in part by development of a structure-informed electrostatic model for pore selectivity, included both the introduction of amino acids with positively charged side chains into the ion conduction pathway and the removal of residues hypothesized to support negatively charged binding sites for cations. Engineered channels indeed became chloride selective, reversing near -65 mV and enabling a new kind of optogenetic inhibition; however, these first-generation chloride-conducting channels displayed small photocurrents and were not tested for optogenetic inhibition of behavior. Here we report the validation and further development of the channelrhodopsin pore model via crystal structure-guided engineering of next-generation light-activated chloride channels (iC++) and a bistable variant (SwiChR++) with net photocurrents increased more than 15-fold under physiological conditions, reversal potential further decreased by another ∼ 15 mV, inhibition of spiking faithfully tracking chloride gradients and intrinsic cell properties, strong expression in vivo, and the initial microbial opsin channel-inhibitor-based control of freely moving behavior. We further show that inhibition by light-gated chloride channels is mediated mainly by shunting effects, which exert optogenetic control much more efficiently than the hyperpolarization induced by light-activated chloride pumps. The design and functional features of these next-generation chloride-conducting channelrhodopsins provide both chronic and acute timescale tools for reversible optogenetic inhibition, confirm fundamental predictions of the ion selectivity model, and further elucidate electrostatic and steric structure-function relationships of the light-gated pore.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».