БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 5, с. 634 - 647

УДК 577.344.2

ПЕРСПЕКТИВЫ ОПТОГЕНЕТИЧЕСКОГО

ПРОТЕЗИРОВАНИЯ ДЕГЕНЕРАТИВНОЙ

СЕТЧАТКИ ГЛАЗА

Обзор

М.А. Островский^1,2*, М.П. Кирпичников^3,4

¹Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН,

119334 Москва, Россия; электронная почта: ostrovsky3535@mail.ru

²Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,

кафедра молекулярной физиологии, 199991 Москва, Россия

³Институт биоорганический химии им. М.М. Шемякина

и Ю.А. Овчинникова РАН, 117997 Москва, Россия;

электронная почта: kirpichnikov@inbox.ru

⁴ Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,

биологический факультет, кафедра биоинженерии,

199991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 26.09.2018

После доработки 22.12.2018

Принята к публикации 24.12.2018

Обзор посвящен перспективам протезирования дегенеративной (слепой) сетчатки глаза и использованию

родопсинов как «инструментов» такого протезирования. Коротко излагается принцип оптогенетических

методов. Рассмотрены ретинальсодержащие белки, деполяризующие и гиперполяризующие плазматичес#

кую мембрану нервной клетки, и, соответственно, возбуждающие и тормозящие ее физиологическую ак#

тивность. Подробно обсужден вопрос о том, какие именно клетки дегенеративной сетчатки и какими ро#

допсинами могут быть протезированы. Рассмотрены вирусы и промоторы, необходимые и подходящие для

доставки гена родопсина в определенные клетки дегенеративной сетчатки. В заключении сформулированы

основные положения и задачи, связанные с оптогенетическим протезированием дегенеративной сетчатки с

помощью родопсинов.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: оптогенетика, ретинальсодержащие белки, канальные родопсины, меланопсин, зри#

тельный родопсин, дегенеративная сетчатка, ганглиозные клетки.

DOI: 10.1134/S0320972519050038

ОПТОГЕНЕТИКА И РОДОПСИНЫ

кую мембрану. В зависимости от того, катионы

КАК ЕЕ ОСНОВНЫЕ «ИНСТРУМЕНТЫ»

или анионы этот белок переносит через мембра#

ну при действии света, мембрана деполяризует#

Оптогенетика или точнее оптогенетические

ся или гиперполяризуется. Деполяризация мемб#

методы - новое, междисциплинарное, бурно

раны приводит к физиологическому возбужде#

развивающееся направление в биологии, объе#

нию клетки, ее гиперполяризация - к торможе#

диняющее физиологию, генную инженерию и

нию. Если классическими инструментами фи#

оптику. Речь идет о методике, позволяющей све#

зиологии для возбуждения или торможения

том регулировать физиологическую активность

клетки были и остаются электрический ток или

клетки. Регуляция осуществляется с помощью

химическое вещество (фармакология), то опто#

активируемого светом белка, который и являет#

генетика предложила свет в качестве такого пре#

ся «инструментом» оптогенетики. Ген такого

цизионного инструмента. Следует подчеркнуть,

белка доставляется в клетки определенного ти#

что возбуждаются или тормозятся только клет#

па, например, мозга или сетчатки глаза. В этих

ки, содержащие светочувствительный белок.

клетках экспрессированный белок (речь идет о

Соседние клетки, не содержащие такого белка,

мембранном белке) встраивается в плазматичес#

отвечать на свет не будут. При воздействии же

электрического тока или химического вещества

* Адресат для корреспонденции.

возбуждается или тормозится большая популя#

634

ОПТОГЕНЕТИЧЕСКОЕ ПРОТЕЗИРОВАНИЕ ДЕГЕНЕРАТИВНОЙ СЕТЧАТКИ

635

ции клеток мозга, сетчатки или иного органа.

ление поврежденного гена, задача оптогенетики -

С этой точки зрения традиционные нейрофизи#

доставка в клетку гена светочувствительного

ологические исследования сетчатки глаза мож#

белка, который становится «инструментом» уп#

но рассматривать как своего рода оптогенети#

равления ею. История возникновения этих

ческие. Действительно, только фоторецепторные

«инструментов» и, таким образом, самой опто#

клетки сетчатки - палочки и колбочки - содер#

генетики весьма поучительна с точки зрения из#

жат светочувствительный окрашенный белок -

начальной непредсказуемости практического

зрительный пигмент родопсин. Свет, поглощен#

применения результатов сугубо фундаменталь#

ный молекулой родопсина, естественно действу#

ных исследований.

ет только на эти клетки, инициируя возникно#

В 1876 г. Франц Кристиан Болль описал све#

вение в них фоторецепторного сигнала. Сигнал

точувствительное «зрительное вещество» в сет#

от фоторецепторных клеток передается через

чатке глаза лягушки, названное затем «зритель#

синапсы следующим нервным клеткам; затем

ным пурпуром», а позже - «родопсином». Почти

он сложнейшим образом обрабатывается и пос#

веком позже (1971) Уолтер Стоккениус и Дитер

тупает в мозг. Иными словами, соседние нервные

Остерхельд открыли бактериальный родопсин в

клетки сетчатки на свет не реагируют. Оптогене#

архебактериях [2]. Несколько лет спустя (1978)

тика же создает искусственную ситуацию, когда

О.А. Синещеков в лаборатории Ф.Ф. Литвина

в несветочувствительную нервную клетку сет#

обнаружил, что светозависимую деполяризацию

чатки «встраивают» светочувствительный бе#

мембраны одноклеточной зеленой водоросли

лок, и тогда она приобретает способность отве#

вызывает родопсин, который таким образом уп#

чать на свет возбуждением или торможением,

равляет ее фототаксисом [3, 4]. Прошло еще

становится как бы «фоторецепторной». В этом и

несколько лет (2003), и П. Хегеманн и Г. Нагель

состоит принцип оптогенетического метода ре#

экспрессировали ген родопсина этой однокле#

гуляции физиологической активности клетки.

точной водоросли и показали, что он работает

С помощью этого метода получены принципи#

как активируемый светом катионный канал [5],

ально новые данные о нейронных сетях, меха#

и назвали его «канальный родопсин#2» («Chan#

низмах обучения, памяти, двигательной актив#

nelrhodopsin#2»). Вскоре (2005) Е. Бойден и К. Дис#

ности, работе сердца и ряда других функций [1].

серот сделали следующий решающий шаг: они

У исследователей появилась возможность управ#

экспрессировали ген канального родопсина в

лять работой клетки с исключительной простран#

нервной клетке мозга млекопитающего и пока#

ственной точностью и высоким временным раз#

зали, что в ответ на вспышку синего света в ней#

решением.

роне возникает потенциал действия - импульс#

Что касается медицинских приложений, то

ная активность [6]. Все эти работы привели, в ко#

несомненные успехи использования оптогене#

нечном счете, к возникновению нового направ#

тики в фундаментальных исследованиях пока не

ления, новой методики - оптогенетики.

привели к клинической практике, хотя прило#

Актуальнейшей задачей стал поиск эффек#

жения напрашиваются для целого ряда невроло#

тивных светочувствительных «инструментов» для

гических и психических заболеваний. К ним мож#

решения конкретных физиологических задач.

но отнести болезнь Паркинсона, эпилепсию,

В настоящее время основными «инструментами»

наркотическую зависимость, болевые синдро#

оптогенетики являются светочувствительные

мы, даже шизофрению, однако ни в одном слу#

мембранные ретинальсодержащие белки - ро#

чае дело не дошло до клинических испытаний.

допсины [7-12].

Одна из причин состоит в сложности неинва#

Родопсины животного происхождения (G#бе#

зивной доставки светового пучка к нейронам

лок#связывающие рецепторы), активные по#

мозга. Сетчатка является, пожалуй, единствен#

пытки применения которых предпринимаются

ным примером нервной ткани, к которой опти#

(см. ниже), и микробиальные родопсины, кото#

ческая система глаза естественным образом дос#

рые сейчас широко применяются в оптогенети#

тавляет свет. Поэтому, согласно всеобщему

ке, - это разные белки с разными функциями [13].

признанию, офтальмология - единственное ре#

Но все родопсины являются мембранными бел#

альное и наиболее близкое приложение оптоге#

ками, топография которых в мембране в виде

нетических методов в медицине. Конкретно,

семи трансмембранных α#спиральных «тяжей»

речь идет об оптогенетическом протезировании

принципиально одинакова, хромофор которых -

дегенеративной сетчатки на поздних стадиях ее

ретиналь - также одинаков, но только в разных

дегенерации.

родопсинах находится в различных изомерных

Ретиналь*содержащие белки как «инструменты»

конфигурациях. Одна и та же фотохимическая

оптогенетики. В отличие от генной терапии, за#

реакция, фотоизомеризация ретиналя, «запус#

дачей которой являются замещение или исправ#

кает» конформационные перестройки белковой

БИОХИМИЯ том 84 вып. 5 2019

636

ОСТРОВСКИЙ, КИРПИЧНИКОВ

(опсиновой) части этих молекул, активируя тем

конструируются каналы со спектрами поглоще#

самым их функции - инициацию ферментатив#

ния в широком спектральном диапазоне. В бу#

ного каскада усиления в механизме фототранс#

дущем это могло бы привести к протезированию

дукции в случае фоторецепции (зрения), пас#

цветового зрения. Так, например, была получе#

сивный или активный перенос ионов в случае

на конструкция, спектр поглощения которой

фототаксиса одноклеточных водорослей и бак#

был существенно расширен. Она состояла из

терий или прокариотического фотосинтеза.

химеры канального родопсина#1 хламидомона#

Следует отметить, что, помимо оптогенети#

ды Chlamydomonas и канального родопсина#1

ки, активно развивается и оптофармакология.

Volvox, поглощающего в области 526-545 нм,

Если в случае оптогенетики речь идет об

и канального родопсина#2 хламидомонады,

экспрессии в клетке экзогенного микробиаль#

поглощающего в области 461-492 нм [16]. Вско#

ного или животного родопсина с эндогенным

ре был создан активируемый красным светом

хромофором - фотоизомеризующимся ретина#

вариант канального родопсина (red#activatable

лем, то в случае оптофармакологии к эндоген#

ChR (ReaChR), который возбуждается оранжево#

ному, естественному ионному каналу или ре#

красным светом (λ ~ 590-630 нм). Причем, этот

цептору «пришивается» экзогенный хромофор#

родопсин намного лучше встраивался в плазма#

фотопереключатель. При действии света он то#

тическую мембрану нервной клетки и генериро#

же фотоизомеризуется, что приводит к измене#

вал существенно большие фототоки с намного

нию конформационного состояния канала или

более быстрой кинетикой [17].

рецептора. И оптогенетический, и оптофарма#

Работы такого рода продолжают появляться.

кологический подходы используются в экспе#

В одной из них ReaChR был экспрессирован в

риментальных исследованиях по протезирова#

слепой сетчатке мыши, обезьяны (макаки) и че#

нию дегенеративной сетчатки.

ловека и восстановил их ответы на свет [18].

Возбуждающие и тормозящие канальные ро*

Совсем недавно удалось сконструировать но#

допсины. Для оптогенетики, как метода управ#

вый, сверхбыстрый, активируемый красным

ления физиологической активностью клетки, в

светом вариант родопсина Chrimson [19]. С по#

первую очередь нервной клетки, принципиаль#

мощью этого варианта Chrimson оказалось воз#

но важно иметь в руках два типа «инструмен#

можным стимулировать нейроны коры мозга и

тов», один из которых деполяризует ее плазма#

слуховой нерв с частотой в несколько сотен Гц.

тическую мембрану, т.е. возбуждает клетку, и

Такой родопсин, как показали авторы, способен

второй, который ее гиперполяризует, в результа#

восстанавливать слух глухой мыши, и он, не#

те чего импульсная активность клетки уменьша#

сомненно, перспективен для оптогенетического

ется или полностью подавляется.

протезирования слепой сетчатки. В другой ра#

Деполяризующие родопсины. Какие на сегод#

боте был получен модифицированный каналь#

няшний день существуют и используются депо#

ный родопсин#1 из Volvox (mVChR1) с очень

ляризующие «инструменты»? Основной «инстру#

широким спектром поглощения (450-600 нм),

мент» - это катионный канальный родопсин, а

который был успешно экспрессирован в сетчат#

именно канальный родопсин#2 (channelrhodop#

ке слепой крысы [20]. Таким образом, семейство

sin#2, ChR2) из зеленой водоросли Chlamydomo=

канальных родопсинов продолжает расширять#

nas reinhardtii. Будучи экспрессирован в нервной

ся, и их характеристики существенно улучша#

клетке, канальный родопсин#2 при действии

ются [11].

синего света (470 нм) достаточно быстро (в пре#

Итак, катион#переносящий канальный ро#

делах 50 мс) деполяризует ее [1, 14]. К сущест#

допсин#2 и его биоинженерные модификации

венным недостаткам канального родопсина#2

остаются в большинстве оптогенетических ис#

относятся его неселективность и относительно

следований, в т.ч. и по протезированию дегене#

низкая светочувствительность, которые создают

ративной сетчатки, наиболее приемлемым «ин#

большие трудности для протезирования сетчат#

струментом» деполяризации клетки, т.е. ее фи#

ки. Тем не менее этот белок был первым оптоге#

зиологического возбуждения.

нетическим «инструментом», экспрессированным

Гиперполяризующие родопсины. Гораздо слож#

в нейронах дегенеративной сетчатки слепой мы#

нее обстоит дело с гиперполяризующими «инстру#

ши (трансгенной мыши с пигментным ретини#

ментами», призванными обеспечить эффектив#

том) и восстановившим ее ответы на свет [15].

ное торможение физиологической активности

Благодаря достижениям современной био#

нервной клетки. До последнего времени были

инженерии семейство канальных родопсинов

известны следующие «инструменты», которые ис#

расширяется, и их характеристики улучшаются:

пользовались в оптогенетических работах. Во#

повышается их чувствительность и улучшается

первых, самый распространенный из них и ши#

кинетика открывания и закрывания канала;

роко применяемый до настоящего времени -

БИОХИМИЯ том 84 вып. 5 2019

ОПТОГЕНЕТИЧЕСКОЕ ПРОТЕЗИРОВАНИЕ ДЕГЕНЕРАТИВНОЙ СЕТЧАТКИ

637

это галородопсин. Он представляет собой хлор#

переносящий канальный родопсин способен,

переносящий насос, поглощающий в желтой

помимо светоиндуцированного торможения

области спектра. Поскольку это насос, то он пе#

импульсной активности нервной клетки, гене#

реносит всего один ион хлора на один погло#

рировать при определенных условиях также ее

щенный квант света. Это означает, что требует#

импульсную активность, преимущественно в

ся слишком много света, чтобы достичь прием#

аксональных окончаниях. Длительная световая

лемой гиперполяризации. Если при исследова#

стимуляция приводит к торможению импульса#

нии мозга эта особенность не является важным

ции, в то время как короткая световая стимуля#

лимитирующим фактором, то для сетчатки ис#

ция, напротив, вызывает генерацию импульсной

пользование галородопсина создает реальную

активности. Это означает, что естественный

опасность фотоповреждения. Во#вторых, это

анион#переносящий канальный родопсин может

светоактивируемые протонные насосы, класси#

быть использован в том же самом эксперименте

ческим примером которых может служить бак#

в зависимости от условий световой стимуляции

териородопсин, который был использован и для

и как эффективный ингибитор физиологичес#

протезирования сетчатки [21]. Однако протон#

кой активности клетки, и как ее активатор [29].

ные насосы большого распространения в опто#

Подобный результат был получен недавно в ра#

генетике не получили, в основном потому, что,

боте Messier et al. [30], в которой модифициро#

подобно галородопсину, обладают малой эф#

ванный природный хлорный канал (GtACR2)

фективностью. Наконец, в#третьих, с помощью

гиперполяризовал сому кортикального нейрона

биоинженерии на основе природных катионных

мыши, но деполяризовал его пресинаптические

канальных родопсинов были сконструированы

окончания.

искусственные анионные [22]. Примером таких

Таким образом, можно заключить, что в ар#

сконструированных анион (хлор)#переносящих

сенале оптогенетики появился новый, эффектив#

каналов может служить slow ChloC, полученный

ный, обладающий высокой световой чувстви#

группой Хегеманна на основе канального ро#

тельностью и быстрой кинетикой «инструмент»

допсина#2 [23] и использованный авторами и

торможения физиологической активности клет#

нашей группой для высокоэффективного подав#

ки. Анионные канальные родопсины, как новое

ления импульсной активности нейронов [24].

семейство регулируемых светом канальных ро#

В работах такого рода в результате биоинженер#

допсинов, позволяют при существенно мень#

ной трансформации катионного канального ро#

ших, чем в случае галородопсина, интенсивнос#

допсина#2 был получен светоактивируемый

тях света гиперполяризовать клеточную мемб#

анионный канал, т.н. slow ChloC, способный с

рану и вызывать торможение, в случае ганглиоз#

высокой эффективностью подавлять импульс#

ной клетки - торможение ее импульсной актив#

ную активность нейронов.

ности. Для протезирования дегенеративной сет#

Проводящие анионы канальные родопсины

чатки это имеет принципиальное значение, пос#

были получены не только искусственно из кати#

кольку открывает реальные возможности для

онных канальных родопсинов, но и обнаружены

формирования ON#OFF# и OFF#ON#рецептив#

в природе. Речь идет о сравнительно недавно

ного поля ее ганглиозных клеток.

открытом новом классе естественных, анион#пе#

реносящих канальных родопсинов (ACR) из крип#

тофитовых одноклеточных водорослей Guillardia

ДЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ

theta [25-27]. Эти каналы являются наиболее эф#

СЕТЧАТКИ ГЛАЗА - ОСТРАЯ СОЦИАЛЬНАЯ

фективными оптогенетическими ингибиторами

И МЕДИЦИНСКАЯ ПРОБЛЕМА

из всех известных на сегодняшний день.

Сравнивая характеристики модифицирован#

Согласно одному из последних и подробных

ного катионного канального родопсина и ес#

эпидемиологических исследований [31], по сос#

тественного анион#переносящего канального

тоянию на 2015 г., полной слепотой было пора#

родопсина, мы показали, что светоактивируемый

жено 36 млн человек, умеренная или сильная

канал последнего обладает выраженными пре#

потеря зрения была у 217 млн и 188 млн имели

имуществами как по кинетике инактивации, так

незначительную потерю зрения. За последние

и по интенсивности торможения импульсной

25 лет число слепых людей выросло на 17,6%,

активности нервной клетки [28]. Это преимущест#

с 30,6 млн в 1990 г. до 36,0 млн в 2015 г., и по

во связано с отсутствием у естественного анион#

предсказанию авторов исследования, цифра эта

переносящего канального родопсина остаточ#

в ближайшие десятилетия будет существенно

ной протонной проводимости, характерной для

расти.

искусственного анионного канала. Более того, как

Одной из причин полной, сильной или час#

мы недавно показали [29], естественный анион#

тичной потери зрения являются наследствен#

БИОХИМИЯ том 84 вып. 5 2019

638

ОСТРОВСКИЙ, КИРПИЧНИКОВ

ные дегенеративные заболевания сетчатки, про#

степени могло бы восстановиться. Такова общая

являющиеся в различных формах. Конечным

идея протезирования слепой сетчатки.

результатом развития всех этих форм может

В случае электронного протезирования мно#

стать слепота, вызванная дегенерацией (ги#

жество электродов возбуждают множество нерв#

белью) зрительных клеток [32]. Наследственные

ных клеток. Однако одним из недостатков элект#

дегенеративные заболевания сетчатки генети#

ронного протезирования является то, что имплан#

чески весьма гетерогенны: в настоящее время

тация фотосенсоров в сетчатку сопровождается

идентифицировано >260 генов, ответственных

весьма непростой хирургической манипуляцией.

за их возникновение и развитие [33]. Наиболее

В случае оптогенетического протезирования в

распространенная и социально#значимая фор#

сохранившиеся нервные клетки дегенеративной

ма - это возрастная макулярная дегенерация.

сетчатки доставляются гены, экспрессирующие

Хотя в общем случае возрастная макулярная де#

светочувствительные белки. Под действием види#

генерация не является генетическим заболева#

мого света на эти белки в клетках возникают нерв#

нием, тем не менее, у пожилых людей она слу#

ные импульсы. В этом состоит принцип оптогене#

жит основной причиной частичной или полной

тического протезирования: нервные клетки ста#

потери зрения. Поскольку старение человечест#

новятся «псевдо#фоторецепторными» клетками.

ва - очевидный демографический факт, эта

Несмотря на успехи электронного протези#

проблема приобретает все большую остроту. Ос#

рования, приходит понимание того, что оптоге#

новные усилия современной офтальмологии

нетическое протезирование является более пер#

направлены на замедление развития дегенера#

спективным и надежным подходом [33, 34].

тивных заболеваний сетчатки. Достаточно эф#

Сравнительно недавно оно получило признание

фективных способов их профилактики не суще#

офтальмологического сообщества как составная

ствует. Что касается лечения, то впечатляющего

часть общей стратегии генной терапии дегене#

успеха достигла в последнее время генная тера#

ративных заболеваний сетчатки глаза [35]. Пер#

пия одной из форм заболевания, вызванного

вые шаги на пути к клинике уже сделаны. В США

мутацией гена RPE65. Этот ген ответственен за

и во Франции разрешены и начаты клинические

синтез белка (ретинолизомеразы), критичного

испытания оптогенетического протезирования

для регенерации зрительного пигмента родоп#

при одной из наиболее тяжелых форм дегенера#

сина в ходе темновой адаптации. Генная терапия

тивного заболевания - пигментном ретините,

этого заболевания была недавно одобрена в

а именно на поздней его стадии, когда зритель#

США (US Food and Drug Administration, FDA) и

ные клетки погибли. Во французских испыта#

стала первым разрешением клинического при#

ниях в дополнение к протезированию нервных

менения генной терапии вообще [33].

клеток предусматривается также использование

Каковы основные стратегии возвращения

специальных очков. Дело в том, что микроби#

зрения слепой сетчатке? Во#первых, речь может

альные родопсины способны обеспечить работу

идти о замене утраченных зрительных клеток

протезированной ими нервной клетки в диапа#

новыми. Работы в этом направлении активней#

зоне всего лишь примерно двух логарифмичес#

шим образом ведутся во многих лабораториях

ких единиц, что намного меньше, чем восемь

мира. Следует, однако, иметь в виду, что при ис#

логарифмических единиц, в которых нормально

пользовании для этого стволовых клеток, диф#

функционирует дневное зрение - фотопическая

ференцирующихся затем в фоторецепторные,

система человека. В настоящее время никакая

существует риск канцерогенеза [34]. Во#вторых,

биологическая система не способна достичь та#

речь может идти о протезировании «слепой»

кого динамического диапазона. Выходом из по#

сетчатки, а именно об электронном и биологи#

ложения может быть применение специально

ческом, оптогенетическом протезировании. Сет#

сконструированных усиливающих систем, оформ#

чатка «слепая» потому, что в результате дегене#

ленных в виде очков, которые позволили бы

ративного заболевания погибают ее светочув#

расширить динамический диапазон «оптогене#

ствительные зрительные клетки - палочки и

тического зрения» [36].

колбочки. Однако важно при этом подчеркнуть,

что нервные клетки сетчатки, как правило, ос#

таются неповрежденными. Это означает, что ес#

КАКИЕ КЛЕТКИ ДЕГЕНЕРАТИВНОЙ

ли бы тем или иным способом их удалось возбу#

СЕТЧАТКИ И КАКИМИ РОДОПСИНАМИ

дить, то они посылали бы в мозг по своим отро#

МОГУТ БЫТЬ ПРОТЕЗИРОВАНЫ?

сткам (аксонам или нервным волокнам) нерв#

ные импульсы, в последовательности которых

При выборе стратегии оптогенетического

закодирована зрительная информация. В таком

протезирования дегенеративной сетчатки важно

случае зрительное восприятие в определенной

учитывать физиологические особенности ее

БИОХИМИЯ том 84 вып. 5 2019

ОПТОГЕНЕТИЧЕСКОЕ ПРОТЕЗИРОВАНИЕ ДЕГЕНЕРАТИВНОЙ СЕТЧАТКИ

639

клеточных элементов. Особенно существенно

Исходя из того, что при некоторых формах

принимать во внимание те патологические на#

дегенеративных заболеваний колбочки остают#

рушения, которые в этих клетках происходят

ся на довольно длительное время жизнеспособ#

при той или иной форме или различных стадиях

ными, одна из стратегий оптогенетического

заболевания. Важно понимать при этом, что в

протезирования состоит в протезировании «ос#

определенных клеточных элементах сетчатки

татков» колбочек. При этом «имплантировать» в

нарушения могут и не происходить. В первую

плазматическую мембрану колбочек следует

очередь к ним относятся ее ганглиозные клетки

«медленные» светочувствительные гиперполяри#

(см. ниже). Следует также отдавать себе отчет в

зующие ионные каналы или насосы, поскольку,

том, что успешное оптогенетическое протезиро#

как уже было сказано, в колбочках генерируется

вание, выполненное на экспериментальных мо#

медленный гиперполяризационный потенциал.

делях, еще не означает, что оно в неизменном

В качестве такого гиперполяризующего насоса

виде может быть перенесено в офтальмологи#

был успешно использован бактериальный хлор#

ческую клинику.

переносящий галородопсин [46]. Недавно появи#

Рассмотрим физиологические особенности

лась работа, в которой с помощью нового, специ#

клеточных элементов сетчатки и те изменения,

фичного для колбочек промотора удалось успеш#

которые в них происходят на различных стадиях

но протезировать фовеальные колбочки сетчаток

дегенеративного процесса. Например, для пиг#

обезьяны и человека, т.е. колбочки, расположен#

ментного ретинита и возрастной макулярной

ные в так называемой центральной ямке сетчатки -

дегенерации можно выделить такие стадии: сна#

области, обладающей высоким качеством цвето#

чала нарушения, затем дегенерация фоторецеп#

восприятия и максимальной остротой зрения [47].

торных клеток, наконец, нарушения в нейраль#

Протезирование «остатков» колбочек сохра#

ной части сетчатки, в ее нервных слоях [37-39].

няет все последующие этапы обработки инфор#

При этом, что особенно важно при разработке

мации в сетчатке, включая латеральное тормо#

стратегии оптогенетического протезирования

жение и дирекциональную селективность. При

дегенеративной сетчатки, «выходные» нейроны

таком протезировании восстанавливаются элект#

сетчатки - ганглиозные клетки остаются, как

роретинограмма и вызванный потенциал зри#

правило, неповрежденными [40, 41].

тельной коры мозга, а также регистрируется по#

Фоторецепторные клетки. В ответ на погло#

ведение, свидетельствующее о восстановлении

щение света они гиперполяризуются. Возника#

зрительных функций. Однако следует иметь в

ющий в их наружном сегменте медленный ги#

виду, что световая чувствительность галородоп#

перполяризационный потенциал распространя#

сина как хлорного насоса, гиперполяризующего

ется до внутреннего сегмента и, наконец, до

мембрану «остатка» колбочки, крайне низка,

пресинаптического окончания. Быстрый нерв#

а потому опасность фотоповреждения сетчатки

ный импульс в фоторецепторных клетках не

становится совершенно реальной. Поэтому бы#

возникает.

ло бы гораздо эффективнее использовать в каче#

При пигментном ретините, дегенеративном

стве гиперполяризующего «инструмента» про#

заболевании, на модели которого проводятся ос#

тезирования «остатков» колбочек естественные

новные оптогенетические исследования, преж#

анионные (хлорные) каналы криптофитовых

де всего, гибнут фоторецепторные клетки, при#

водорослей, вероятно, после их определенной

чем палочки погибают раньше колбочек [42].

биоинженерной модификации.

Анатомические исследования дегенеративных

Протезирование колбочек восстановило бы

сетчаток у мышей [43, 44] и прижизненные ис#

физиологическую активность самого первого,

следования сетчаток пациентов с пигментным

фоторецепторного звена в нервной сети сетчат#

ретинитом с помощью оптической когерентной

ки. Следствием этого стало бы восстановление

томографии [45] показали, что на поздних ста#

механизма естественной обработки зрительной

диях дегенеративного процесса тела колбочек

информации всеми нижележащими нервными

остаются неповрежденными. Иными словами,

слоями сетчатки, т.е. всей ее нервной сетью. В та#

жизнеспособность остатков колбочек может

ком случае качество восстановленного зритель#

сохраняться достаточно долго, хотя, в конечном

ного восприятия могло бы быть наилучшим. К со#

счете, они гибнут тоже. При некоторых других

жалению, столь заманчивая стратегия протези#

формах дегенерации ситуация может быть об#

рования колбочек представляется не слишком

ратной: колбочки повреждаются раньше пало#

реальной, поскольку неизвестно, как долго со#

чек. Практически одновременно с потерей фо#

храняется в дегенеративной сетчатке жизнеспо#

торецепторных клеток происходит миграция и

собность колбочек и их синаптические связи со

потеря клеток ретинального пигментного эпи#

следующими биполярными и ганглиозными

телия.

нервными клетками.

БИОХИМИЯ том 84 вып. 5 2019

640

ОСТРОВСКИЙ, КИРПИЧНИКОВ

Биполярные и горизонтальные клетки. За фо#

ло оба компонента зрительного ответа - ON#

торецепторными клетками следуют синаптичес#

и OFF#компоненты, т.е. ON/OFF#путь в сетчат#

ки связанные с ними нейроны второго порядка -

ке и зрительной коре.

биполярные и горизонтальные клетки. Бипо#

Следует отметить, что у млекопитающих сет#

лярные клетки, в свою очередь, распадаются на

чатка содержит несколько ON# и OFF#типов

два основных физиологических типа - ON# и

колбочковых биполярных клеток и только один

OFF#биполяры. ON#биполяры в ответ на свет

ON#тип палочковых биполярных клеток. Но

деполяризуются, OFF#биполяры - гиперполя#

поскольку сигнал от палочковых биполярных

ризуются. В биполярных клетках, как и в фото#

клеток через амакриновые клетки попадает в

рецепторах, генерируется только медленная

колбочковые ON# и OFF#пути, то активация

электрическая активность. Нервные импульсы в

при оптогенетическом протезировании только

них также не возникают. Эти особенности

ON#биполярных клеток восстанавливает ответы

электрических ответов биполярных клеток сле#

в обоих путях (ON# и OFF#путях) обработки ин#

дует иметь в виду при планировании их оптоге#

формации. Это означает, что благодаря пластич#

нетического протезирования.

ности обработки информации и в сетчатке, и в

Самые ранние признаки повреждения в ней#

центральных отделах зрительной системы про#

ральных слоях сетчатки наблюдаются в тех би#

тезирование только ON#биполярных клеток

полярных клетках, которые синаптически связа#

оказывается вполне достаточным для восста#

ны с палочками, но не с колбочками [48]. Среди

новления важнейших функций зрительной сис#

целого ряда молекулярных и цитологических на#

темы. В случаях оптогенетического протезиро#

рушений биполярных клеток, происходящих в

вания ON#биполярных клеток как с помощью

ходе дегенерации сетчатки, следует указать на воз#

канального родопсина#2 [54], так и с помощью

можность изменения их полярности, т.е. на пре#

меланопсина [55, 56] и зрительного родопсина

вращение ON#биполяров в OFF#биполяры [49],

[57-60], т.е. естественных G#белок#связываю#

что создает дополнительные трудности. Важное

щих рецепторов, восстанавливались электри#

методическое ограничение при протезировании

ческие ответы сетчатки и зрительной коры, а так#

биполярных клеток состоит в том, что специфи#

же зрительное поведение протезированных мы#

ческий промотор найден пока что только для

шей. Речь идет о трансгенных мышах rd1 как

ON#, но не для OFF#биполяров [50].

принятой модели пигментного ретинита. Сведе#

Вместе с тем ON#биполяры были успешно

ний о работах по оптогенетическому протезиро#

протезированы в последние годы у разных экс#

ванию ON#биполярных клеток у низших прима#

периментальных животных и с помощью различ#

тов (макак) пока не имеется.

ных оптогенетических «инструментов». В пер#

Что касается естественных G#белок#связы#

вой работе по протезированию биполярных кле#

вающих рецепторов как «инструментов» оптоге#

ток у трансгенной мыши с пигментным ретини#

нетического протезирования дегенеративной

том был использован катионный канальный ро#

сетчатки, то им, скорее всего, принадлежит бу#

допсин#2, ON#биполярный промотор и элект#

дущее. Действительно, несомненным достоин#

ропорация для доставки гена [51]. Результатом

ством животных родопсинов (родопсинов 2#го

протезирования было восстановление вызван#

типа) по сравнению с микробиальными родоп#

ного потенциала коры мозга и зрительного по#

синами (родопсинами 1#го типа) является, во#

ведения. Естественно, электропорация мало

первых, их принадлежность к классу G#белок#

пригодна для клинического применения, и

связывающих рецепторов, способных, по край#

практически во всех последующих работах ис#

ней мере, на два порядка повысить световую

пользуется вирусная доставка гена, а именно

чувствительность протезированной ими клетки,

аденоассоциированный вектор, причем разных

и, во#вторых, конечно, низкая иммуногенность.

серотипов вируса для различных эксперимен#

Однако одной из трудностей их возможного ис#

тальных животных.

пользования как оптогенетического «инстру#

Важно отметить, что были предприняты

мента» является проблема «обесцвечения/реге#

большие усилия по улучшению аденоассоци#

нерации». Поскольку в результате фотолиза

ированных векторов. Так, был создан вектор с

полностью#транс#ретиналь высвобождается из

улучшенным тропизмом к клеткам сетчатки [52].

хромофорного центра белковой (опсиновой) час#

Были, например, созданы векторы, эффективно

ти молекулы, то в нормальной сетчатке функцио#

доставлявшие катионный канальный родоп#

нирует сложная система регенерации родопсина

син#2 к ON#биполярным клеткам слепой транс#

(так называемый «зрительный цикл»), которая

генной мыши [53, 54]. Важно подчеркнуть, что

обеспечивает синтез и доставку нового 11#цис#

протезирование ON#биполярных клеток с по#

ретиналя к хромофорному центру опсина и за#

мощью канального родопсина#2 восстанавлива#

висит от реакций, происходящих в клетках ре#

БИОХИМИЯ том 84 вып. 5 2019

ОПТОГЕНЕТИЧЕСКОЕ ПРОТЕЗИРОВАНИЕ ДЕГЕНЕРАТИВНОЙ СЕТЧАТКИ

641

тинального пигментного эпителия. Правда, для

чительный объем естественной обработки зри#

регенерации зрительного пигмента в колбочках

тельной информации и достичь вполне прием#

имеется добавочный путь регенерации, в кото#

лемого восстановления зрительных функций.

ром задействованы глиальные мюллеровские

Тем не менее, несмотря на всю привлекатель#

клетки [61]. Повторим, животному зрительному

ность и реальность протезирования биполярных

родопсину, скорее всего, принадлежит оптоге#

клеток, они все же не столь надежны для оптоге#

нетическое будущее. Что же касается микроби#

нетического протезирования по сравнению со

ального родопсина, то клинические испытания

следующими за ними ганглиозными клетками

канального родопсина#2 уже разрешены и ве#

сетчатки.

дутся [62].

Ганглиозные клетки. За синаптически связан#

Низкая световая чувствительность и узкий

ными с фоторецепторами биполярными и гори#

динамический диапазон ответа при использова#

зонтальными клетками следуют синаптически

нии даже улучшенных с помощью современных

связанные с ними нейроны третьего порядка -

методов биоинженерии катионных и анионных

амакриновые и ганглиозные клетки. Синапти#

канальных родопсинов одноклеточных водо#

ческий слой (внутренний синаптический слой)

рослей остаются, тем не менее, проблемой для

между нейронами второго и третьего порядков

их клинического применения. Экспрессия же в

очень широкий. Весьма разнородные и много#

клетке, биполярной и/или ганглиозной, свето#

численные группы амакриновых клеток осуще#

чувствительного G#белок#связывающего рецеп#

ствляют сложнейшую обработку зрительной ин#

тора, такого как меланопсин или родопсин поз#

формации по горизонтали. Их роль в обработке

воночных, позволяет повысить чувствитель#

зрительной информации чрезвычайно велика.

ность и расширить динамический диапазон на

Ганглиозные клетки являются «выходными ней#

два#три порядка, благодаря ферментативному

ронами», генерирующими импульсную актив#

механизму усиления.

ность. Они получают зрительную информацию,

Экспрессия G#белок#связывающего рецеп#

сложнейшим образом обработанную на всех

тора была осуществлена в нейронах сетчатки, и

предыдущих уровнях сетчатки. В виде нервных

успешные результаты такой экспрессии были

импульсов эта информация поступает по аксо#

получены как in vitro на ретинальных эксплан#

нам ганглиозных клеток в мозг. При планирова#

тах, так и in vivo при регистрации электрических

нии «имплантации» в плазматическую мембра#

ответов (вызванных потенциалов) зрительной

ну этих клеток светочувствительных ионных ка#

коры, а также, что особенно важно, при иссле#

налов речь должна идти о так называемых

довании поведения оптогенетически протези#

«быстрых» ионных каналах.

рованных трансгенных мышей [60]. Так, напри#

В организме млекопитающих содержится

мер, ген меланопсина человека был успешно

около миллиона ганглиозных клеток и, соответ#

экспрессирован в биполярных, а также в гори#

ственно, аксонов, образующих зрительный нерв

зонтальных и мюллеровских (но не в ганглиоз#

(у человека - ~1,2 млн). Некоторая часть ганг#

ных) клетках трансгенной слепой мыши, что

лиозных клеток сама обладает светочувстви#

привело к длительному восстановлению не

тельностью, поскольку включает светочувстви#

только электрических ответов сетчатки и зри#

тельный ретиналь#содержащий пигмент мела#

тельной коры, но и к восстановлению зрачково#

нопсин. Эти клетки посылают свои аксоны в

го рефлекса, зрительного поведения (избегания

незрительные (гипоталамические) области моз#

света) и даже к возможности различения прос#

га. Они отвечают за синхронизацию циркадного

тейшего изображения [56]. К недостаткам мела#

ритма, регулирование размера зрачка и выделе#

нопсина следует отнести его медленную реак#

ние мелатонина из эпифиза. О попытках ис#

цию на свет. Что касается зрительного родопси#

пользовать меланопсин для оптогенетического

на, то в двух практически одновременно поя#

протезирования биполярных клеток - см. выше.

вившихся работах было четко показано, что у

Следует еще раз подчеркнуть, что ганглиоз#

протезированных мышей восстанавливаются

ная клетка сетчатки - это классическая нервная

зрительные функции при физиологических ос#

клетка, в которой возникает потенциал действия,

вещенностях [57, 59]. При этом реакция на свет

т.е. импульсная активность. Именно эти клетки,

на всех уровнях зрительной системы была в слу#

как представляется на сегодняшний день, явля#

чае зрительного родопсина существенно быст#

ются основными кандидатами на протезирова#

рее, чем при протезировании меланопсином.

ние дегенеративной сетчатки. Для оптогенети#

Таким образом, протезирование биполярных

ческого протезирования принципиально важно,

клеток вполне реально и более надежно, чем

что ганглиозные клетки наиболее устойчивы

протезирование «остатков» колбочек. В случае

при развитии дегенеративного процесса. Они

успеха можно было бы сохранить в сетчатке зна#

остаются неповрежденными даже на поздних

БИОХИМИЯ том 84 вып. 5 2019

642

ОСТРОВСКИЙ, КИРПИЧНИКОВ

стадиях заболевания (см. выше). Более того, они

случае - с помощью иным образом модифици#

сохраняют не только свои нормальные физио#

рованного канального родопсина (L132C/T159C),

логические свойства, но и свое местоположение

обладающего на два порядка большей чувстви#

в сетчатке по отношению к внутренней погра#

тельностью к свету [73].

ничной мембране [41].

Несомненно, значительным недостатком

Следует отметить, что ганглиозные клетки

протезирования ганглиозных клеток является

расположены в сетчатке глаза здорового челове#

потеря обработки информации в вышележащих

ка отлично от расположения фоторецепторов в

слоях сетчатки. Однако прямая электрическая

фовеа (центральной ямке). Они смещены от

стимуляции ганглиозных клеток слепой сетчат#

нее, и их максимальная плотность наблюдается

ки эпиретинальными имплантами показывает,

в венчике вокруг фовеа. Такое несоответствие

что пациенты способны при этом выполнять це#

должно быть принято во внимание при форми#

лый ряд довольно сложных зрительных задач,

ровании изображения на слое протезированных

например, распознавать объекты (предметы и

ганглиозных клеток. Даже при идеальной моди#

даже буквы) и, более того, движения объектов

фикации всех ганглиозных клеток произойдет

[74-78]. Опыт электронного протезирования

рассогласование оптического изображения на

дегенеративной сетчатки свидетельствует о вы#

сетчатке и его описания в мозгу, которое в нор#

сочайшей пластичности высших зрительных

ме центрировано относительно фовеа. Поэтому

центров мозга, способных до некоторой степени

исключительно важными становятся работы по

компенсировать потерю обработки информа#

созданию систем кодирования изображения

ции в дегенеративной сетчатке. Иными слова#

(светового сигнала) с тем, чтобы протезирован#

ми, зрительную информацию, закодированную

ные ганглиозные клетки получали информацию

в импульсной активности ганглиозных клеток,

в «привычном» для них виде [63]. Возможны два

мозг способен воспринять. Вместе с тем стано#

пути создания достаточно яркого и управляемо#

вится очевидным, что для создания приемлемо#

го изображения на сетчатке. Первый - это пост#

го зрительного восприятия потребуется разра#

роение голографической картинки [64], и вто#

ботка специальных устройств, позволяющих

рой путь - построение изображения в виде мат#

формировать более адекватную для мозга зри#

рицы светящихся точек [65]. Начинать работы,

тельную информацию, которую модифициро#

по всей видимости, следует со второго пути, как

ванные ганглиозные клетки будут посылать в

более доступного и осуществимого.

зрительные и незрительные области мозга. Под

Таким образом, протезирование ганглиоз#

«специальными устройствами» понимается соз#

ных клеток представляется наиболее приемле#

дание таких способов обработки информации,

мой стратегией на поздних стадиях дегенерации

которые позволили бы кодировать яркость и

сетчатки. К настоящему времени накопилось

контраст изображения, воссоздавать механизм

довольно большое число работ, в которых у раз#

адаптации к соответствующему уровню осве#

ных животных и с помощью разных оптогенети#

щенности, восстанавливать пространственное

ческих «инструментов» были успешно протези#

зрение и многие другие физиологические свой#

рованы именно ганглиозные клетки [66-71].

ства зрительной системы. Следует обратить вни#

Среди них следует обратить внимание на работу,

мание в этой связи на разрешенные в 2017 г. в

в которой модифицированный канальный ро#

Европейском Союзе клинические испытания

допсин#2, поглощающий свет в красной облас#

(NCT03326336 Clinicaltrials.gov) комбинации

ти спектра, был экспрессирован в ганглиозных

модифицированного канального родопсина

клетках сетчатки не только мыши, но и макаки,

(«ChrimsonR») и специально созданных для этого

а также кадаверной сетчатке человека [18]. Осо#

очков#интерфейса («Visual Interface Stimulating

бого внимания заслуживают работы, в которых

Glasses») для пациентов с пигментным ретинитом.

была предпринята попытка протезирования

Что касается пластичности мозга, то стреми#

ON#OFF# и OFF#ON#рецептивных полей ганг#

тельно развивающаяся область электронного и

лиозных клеток [67, 71]. Недавно было осущест#

оптогенетического протезирования зрения тре#

влено оптогенетическое протезирование ганг#

бует все более глубокого понимания нейро# и

лиозных клеток сетчатки обезьяны (макаки) при

психофизиологических механизмов формиро#

низких, т.е. безопасных для сетчатки интенсив#

вания, поддержания и понижения с возрастом

ностях света, а также с применением адено#ас#

корковой пластичности мозга человека. Необ#

социированного вируса (ААV2). В одном случае

ходимо понимание, в какой период жизни чело#

это было сделано с помощью катионного ка#

века и до какой степени зрительный центр и

нального родопсина (CatCh), который представ#

мозг в целом в состоянии адаптироваться к по#

ляет собой L132C#мутант ChR2 Chlamydomonas

тере информации, поступающей от протезиро#

reinhardtii, и нового промотора [72], в другом

ванной сетчатки. Более того, следует понять, ка#

БИОХИМИЯ том 84 вып. 5 2019

ОПТОГЕНЕТИЧЕСКОЕ ПРОТЕЗИРОВАНИЕ ДЕГЕНЕРАТИВНОЙ СЕТЧАТКИ

643

кую роль в восстановлении приемлемых зри#

3) он вызывает слабый иммунный ответ, пос#

тельных функций могут играть обучение и фар#

кольку не является патогенным для человека;

макологические воздействия. Как показывает

4) он не способен реплицироваться, для

опыт, оба эти фактора - обучение и фармаколо#

размножения ему требуется вспомогательный

гия - могут существенно повысить пластичес#

вирус, как правило, аденовирус;

кие способности мозга. Кроме того, создание

5) описано несколько серотипов аденоассо#

виртуальной реальности с помощью интеллек#

циированого вируса - AAV1-AAV9; они отлича#

туального интерфейса, судя по всему, станет не#

ются тем, что связываются с разными клеточны#

обходимым условием для успешного протезиро#

ми рецепторами (для сетчатки глаза мыши и

вания зрения. Как отмечается в прекрасном об#

обезьяны (макаки) используют вирусы разных

зоре на эту тему, совершенно очевидна взаимная

серотипов);

польза от усилий в области протезирования зре#

6) показана безопасность и эффективность

ния и успехов в области фундаментальных ис#

векторов на основе аденоассоциированного ви#

следований физиологии мозга и психологии [79].

руса при генной терапии дегенеративного забо#

По мнению авторов обзора, следующее десяти#

левания сетчатки (врожденный амавроз Лебера),

летие принесет понимание особенностей возра#

что для оптогенетического протезирования сет#

стных изменений пластичности мозга человека.

чатки принципиально важно.

А поскольку протезирование зрения касается,

В появившемся недавно обзоре [80] подроб#

главным образом, людей пожилого и старческо#

но рассмотрены векторы и способы доставки

го возраста, то практическая значимость такого

генов, в первую очередь, в сетчатку приматов,

понимания не вызывает сомнения.

что принципиально важно для доклинических

испытаний оптогенетического протезирования

дегенеративной (слепой) сетчатки человека.

СПОСОБЫ ДОСТАВКИ ГЕНА

Авторы при этом приходят к выводу, что имен#

В ОПТОГЕНЕТИКЕ: ВИРУСЫ

но аденоассоциированный вирус является наи#

И ПРОМОТОРЫ

более приемлемым вектором для доставки ге#

нов в нейроны сетчатки. В этой связи следует

Исключительно важна в оптогенетике проб#

упомянуть работы последнего времени, в кото#

лема доставки гена светочувствительного белка -

рых описываются аденоассоциированные виру#

канала или насоса - в нужную клетку мозга или

сы, эффективные для переноса гена в нейраль#

сетчатки. Создание векторов и специфических

ную часть сетчатки не только мышей и обезьян,

промоторов для селективной доставки генов

но и в экспланты сетчатки человека [81, 82].

этих белков в различные типы клеток сетчатки -

Так, например, в работе Hickey et al. [81] для оп#

насущная задача для оптогенетического проте#

тогенетического протезирования ганглиозных

зирования. В настоящее время известны следу#

клеток у обезьян была успешно применена

ющие способы доставки генов: с помощью ви#

конструкция, состоящая из разрешенного к

русов, методом электропорации, с помощью

клинической практике аденоассоциированного

сфокусированного ультразвука и методом лазер#

вируса 2#го серотипа и модифицированного ка#

ной фотопорации. Однако в настоящее время

нального родопсина (L132C/T159C), обладаю#

широко применяется для мозга и сетчатки

щего на два порядка большей чувствитель#

именно вирусный носитель.

ностью к свету, по сравнению с немодифициро#

Вирусы. Требования к вирусному носителю,

ванным аналогом.

особенно имея в виду будущие клинические ис#

Промоторы. Помимо вируса для успешного

пытания, следующие: очень низкая мутаген#

оптогенетического протезирования биполяр#

ность, очень низкая иммуногенность, нейротро#

ных или ганглиозных клеток сетчатки, причем

пизм, низкий потенциал рекомбинации. Воз#

разных их типов, принципиально важно иметь

можны следующие носители - вирусные векто#

эффективный и специфичный промотор. Рабо#

ры: аденоассоциированый вирус, аденовирус,

ты в этом направлении активно ведутся. Как вы#

лентивирус, вирус простого герпеса. Аденоассо#

яснилось, например, для ганглиозных клеток

циированый вирус (AVV) является наиболее

сетчатки глаза трансгенной мыши (с пигмент#

приемлемым, что обусловлено следующими

ным ретинитом) эффективность промотора че#

обстоятельствами:

ловеческого гамма#синуклеинового гена выше,

1) он уже используется как вирусный вектор

чем цитомегаловируса [70] По нашим данным,

для генной терапии ряда заболеваний;

промотор CaMKII, специфичный для глутама#

2) он способен инфицировать делящиеся и

тергических нейронов, в сочетании с аденоассо#

неделящиеся клетки и эффективно встраивать#

циированным вирусом эффективно доставляет

ся в геном хозяина;

гены катионного и анионного канальных ро#

БИОХИМИЯ том 84 вып. 5 2019

644

ОСТРОВСКИЙ, КИРПИЧНИКОВ

допсинов в ганглиозные клетки сетчатки транс#

2) Ганглиозные клетки дегенеративной сет#

генной мыши [27]. Располагая возможностью

чатки наиболее надежны и доступны для опто#

доставки с помощью аденоассоциированного

генетического протезирования.

вируса и соответствующих промоторов генов

3) Насущными задачами являются: оптими#

катионного и анионного канальных родопсинов

зация параметров катионных и анионных ка#

в большую популяцию ганглиозных клеток де#

нальных родопсинов, их светочувствительнос#

генеративной сетчатки, становится реальным

ти, проводимости, времени жизни, спектров

создание эффективных ON#OFF# и OFF#ON#ре#

поглощения; повышение уровня экспрессии ге#

цептивных полей этих клеток. Что касается про#

нов в клетке; поиск специфических промото#

тезирования биполярных клеток сетчатки, то

ров, в т.ч. для субпопуляций ON#OFF# и OFF#

появляются работы, авторы которых обращают

ON#ганглиозных клеток.

внимание на трудности и ограничения специ#

4) Для адекватной передачи информации от

фической доставки гена в эти клетки. Так, нап#

модифицированных родопсином ганглиозных

ример, той же группой, которая успешно ис#

клеток сетчатки в зрительные центры мозга и

пользовала химеру Opto#mGluR6 для протези#

обработки этой информации в мозгу требуется

рования ON#биполярных клеток мыши [54], не#

создание специального («интеллектуального»)

давно опубликована работа, авторы которой ут#

интерфейса.

верждают, что известный для этих клеток про#

5) Аденоассоциированный вектор и сопря#

мотор (4xGRM6#SV40) не является специфич#

женный с ним специфичный промотор - един#

ным для них, и все исследованные в этой работе

ственный приемлемый на сегодняшний день

варианты аденоассоциированных векторов эф#

способ доставки гена родопсина к определен#

фективно таргетируют ON#биполярные клетки

ным клеткам сетчатки.

здоровой, а не дегенеративной сетчатки мыши

6) Используя спектрально отличающиеся ка#

rd1 [83]. В заключение авторы приходят к выво#

нальные родопсины, представляется возмож#

ду, что для успешного оптогенетического проте#

ным восстановление и цветового зрения вслед

зирования ON#биполярных клеток дегенера#

за монохроматическим.

тивной сетчатки требуются дальнейшие поиски

7) В случае успеха оптогенетического проте#

действительно специфичных промоторов и аде#

зирования ганглиозных клеток у пациентов мо#

ноассоциированных векторов.

жет быть восстановлено светоощущение, а так#

же предметное зрение (они смогут видеть пред#

Таким образом, оптогенетическое протези#

меты, например, стол и стул).

рование слепой сетчатки с помощью родопси#

8) Опыты на животных не позволяют оце#

нов - первое, наиболее реальное и близкое по

нить качество восстановленного зрения. Для

времени внедрение методов оптогенетики в

этого требуются клинические испытания.

клиническую практику. В этой связи можно

сформулировать основные положения и задачи,

вытекающие из рассмотренного в настоящем

Конфликт интересов. Авторы заявляют об от#

обзоре состояния проблемы.

сутствии конфликта интересов.

1) Канальные родопсины одноклеточных во#

Соблюдение этических норм. Все примени#

дорослей - наиболее реальные на сегодняшний

мые международные, национальные и институ#

день «инструменты» для оптогенетического

циональные принципы ухода и использования

протезирования сетчатки.

животных были соблюдены.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Deisseroth, K. (2011) Optogenetics, Nat. Methods, 8,

Nagel, G., Szellas, T., Huhn, W., Kateriya, S., Adeishvili, N.,

26-29, doi: 10.1038/nmeth.f.324.

Berthold, P., Ollig, D., Hegemann, P., and Bamberg, E.

Oesterhelt, D., and Stoeckenius, W. (1971) Rhodopsin#like

(2003) Channelrhodopsin=2, a directly light#gated cation#

protein from the purple membrane of Halobacterium halo=

selective membrane channel, Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

bium, Nat. New Biol., 233, 149-152, doi: 10.1038/new#

100, 13940-13945, doi: 10.1073/pnas.1936192100.

bio233149a0.

Boyden, E.S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., and

Litvin, F.F., Sineshchekov, O.A., and Sineshchekov, V.A.

Deisseroth, K. (2005) Millisecond#timescale, genetically

(1978) Photoreceptor electric potential in the phototaxis of

targeted optical control of neural activity, Nat. Neurosci., 8,

the alga Haematococcus pluvialis, Nature, 271, 476-478,

1263-1268, doi: 10.1038/nn1525.

doi: 10.1038/271476a0.

Островский М.А., Фельдман Т.Б. (2012) Химия и моле#

Sineshchekov, O.A., Jung, K.H., and Spudich, J.L.

кулярная физиология зрения: светочувствительный

(2002) Two rhodopsins mediate phototaxis to low# and

белок родопсин, Успехи химии, 81, 1071-1090.

high#intensity light in Chlamydomonas reinhardtii, Proc.

Островский М.А. (2012) Молекулярная физиология

Natl. Acad. Sci. USA, 99, 8689-8694, doi: 10.1073/

зрительного пигмента родопсина, Биологические мемб=

pnas.122243399.

раны, 29, 38-50.

БИОХИМИЯ том 84 вып. 5 2019

ОПТОГЕНЕТИЧЕСКОЕ ПРОТЕЗИРОВАНИЕ ДЕГЕНЕРАТИВНОЙ СЕТЧАТКИ

645

Grote, M., Engelhard, M., and Hegemann, P. (2014) On

23.

Wietek, J., Wiegert, J.S., Adeishvili, N., Schneider, F.,

ion pumps, sensors and channels - perspectives on micro#

Watanabe, H., Tsunoda, S.P., Vogt, A., Elstner, M.,

bial rhodopsins: between science and history, Biochim.

Oertner, T.G., and Hegemann, P. (2014) Conversion of

Biophys. Acta, 1837, 533-545, doi: 0.1016/j.bbabio.2013.

channelrhodopsin into a light#gated chloride channel,

08.006.

Science, 344, 409-412, doi: 10.1126/science.1249375.

10.

Kaneko, A., Inoue, K., Kojima, K., Kandori, Y., and

24.

Долгих Д.А., Малышев А.Ю., Саложин С.В., Некрасо#

Sudo, Y. (2017) Conversion of microbial rhodopsins:

ва О.В., Петровская Л.Е., Рощин М.В., Бородинова А.А.,

insights into functionally essential elements and rational

Фельдман Т.Б., Балабан П.М., Кирпичников М.П.,

protein engineering, Biophys. Rev., 9, 861-876, doi: 10.

Островский М.А. (2015) Анионный канальный родоп#

1007/s12551#017#0335#x.

син, экспрессированный в культуре нейронов и in vivo

11.

Wiegert, S., Mahn, M., Prigge, M., Printz,Y., and Yizhar, O.

в мозге мыши: светоиндуцированное подавление ге#

(2017) Silencing neurons: tools, applications and experi#

нерации потенциалов действия, Доклады Aкадемии наук,

mental constraints, Neuron, 95, 504-529, doi.org/10.

465, 737-740, doi: 10.7868/S086956521536030X.

1016/j.neuron.2017.06.050.

25.

Govorunova, E.G., Sineshchekov, O.A., Janz, R., Liu, X.,

12.

Cohen, E.D. (2018) Retinal prostheses, In Webvision: the

and Spudich, J.L. (2015) Natural light#gated anion chan#

organization of the retina and visual system (Kolb, H.,

nels: a family ofmicrobial rhodopsins for advanced optoge#

Fernandez, E., and Nelson, R, eds), Salt Lake City (UT),

netics, Science, 349, 647-650, doi: 10.1126/science.aaa7484.

University of Utah Health Sciences Center.

26.

Li, H., Sineshchekov, O.A., Wu, G., and Spudich, J.L.

13.

Островский М.А. (2017) Родопсин: эволюция и срав#

(2016) In vitro activity of a purified natural anion channel#

нительная физиология, Палеонтологический журнал,

rhodopsin, J. Biol. Chem., 291, 25319-25325, doi: 10.

5, 103-113, doi: 10.7868/S0031031X17050063.

1074/jbc.C116.760041.

14.

Deisseroth, K., and Hegemann, P. (2017) The form and

27.

Govorunova, E.G., Sineshchekov, O.A., Li, H., and

function of channelrhodopsin, Science, 357, 5544, doi: 10.

Spudich, J.L. (2017) Microbial rhodopsins: diversity,

1126/science.aan5544.

mechanisms, and optogenetic applications, Ann. Rev.

15.

Bi, A., Cui, J., Ma, Y.P., Olshevskaya, E., Pu, M., Diz#

Biochem., 86, 845-872, doi: 10.1146/annurev#biochem#

hoor, A.M., and Pan, Z.H. (2006) Ectopic expression of a

101910#144233.

microbial#type rhodopsin restores visual responses in mice

28.

Долгих Д.А., Малышев А.Ю., Рощин М.В., Смирно#

with photoreceptor degeneration, Neuron, 50, 23-33,

ва Г.Р., Некрасова О.В., Петровская Л.Е., Фельдман Т.Б.,

doi: 10.1016/j.neuron.2006.02.026.

Балабан П.М., Кирпичников М.П., Островский М.А.

16.

Prigge, M., Schneider, F., Tsunoda, S.P., Shilyansky, C.,

(2016) Сравнительная характеристика двух анионных

Wietek, J., Deisseroth, K., and Hegemann, P.

(2012)

канальных родопсинов и перспективы их применения

Color#tuned channelrhodopsins for multiwavelength opto#

в оптогенетике, Доклады Академии наук, 471, 729-731,

genetics, J. Biol. Chem., 287, 31804-3181, doi: 10.1074/

doi: 10.7868/S0869565216360238.

jbc.M112.391185.

29.

Malyshev, A.Y., Smirnova, G.R., Dolgikh, D.A., Balaban, P.M.,

17.

Lin, J.Y, Knutsen, P.M., Muller, A., Kleinfeld, D., and

and Ostrovsky, M.A. (2017) Chloride conducting light acti#

Tsien, R.Y. (2013) ReaChR: a red#shifted variant of chan#

vated channel GtACR2 can produce both cessation of firing

nelrhodopsin enables deep transcranial optogenetic excita#

and generation of action potentials in cortical neurons in

tion, Nat. Neurosci.,161499-1508, doi: 10.1038/nn.3502.

response to light, Neurosci. Lett., 640, 76-80, doi: 10.

18.

Sengupta, A., Chaffiol, A., Macе, E., Caplette, R.,

1016/j.neulet.2017.01.026.

Desrosiers, M., Lampic, M., Forster, V., Marre, O., Lin, J.Y.,

30.

Messier, J.E., Chen, H., Cai, Z.L., and Xue, M. (2018)

Sahel, J.A., Picaud, S., Dalkara, D., and Duebel, J. (2016)

Targeting light#gated chloride channels to neuronal soma#

Red#shifted channelrhodopsin stimulation restores light

todendritic domain reduces their excitatory effect in the

responses in blind mice, macaque retina, and human retina,

axon, Elife, 9, e38506, doi: 10.7554/eLife.38506.

EMBO Mol. Med., 8, 1248-1264, doi: 10.15252/emmm.

31.

Bourne, R.R.A, Flaxman, S.R., Braithwaite, T., Cici#

201505699.

nelli, M.V., Das, A., Jonas, J.B., Keeffe, J., Kempen, J.H.,

19.

Mager, T., Lopez, D., de la Morena, Senn, V., Schlotte, J.,

Leasher, J., Limburg, H., Naidoo, K., Pesudovs, K.,

D’Errico, A., Feldbauer, K., Wrobel, C., Jung, S.,

Resnikoff, S., Silvester, A., Stevens, G.A., Tahhan, N.,

Bodensiek, K., Rankovic, V., Browne, L., Huet, A.,

Tien, Y., Wong, T.Y., and Taylor H.R. (2017) Magnitude,

Juttner, J., Wood, P.G., Letzkus, J.J., Moser, T., and

temporal trends, and projections of the global prevalence of

Bamberg, E. (2018) High frequency neural spiking and

blindness and distance and near vision impairment: a sys#

auditory signaling by ultrafast red#shifted optogenetics,

tematic review and meta#analysis, Lancet Glob. Health, 5,

Nat. Commun., 9, 1750, doi: 10.1038/s41467#018#04146#3.

888-897, doi: 10.1016/S2214#109X(17)30293#0.

20.

Sato, M., Sugano, E., Tabata, K., Sonnohe, K., Watanabe, Y.,

32.

Duncan, J.L., Pierce, E.A., Laster, A.M., Daiger, S.P.,

Ozaki., T., Tamai, M., and Tomita, H. (2017) Visual

Birch, D.G., Ash, J.D., Iannaccone, A., Flannery, J.G.,

responses of photoreceptor#degenerated rats expressing

Sahel, J.A., Zack, D.J., and Zarbin, M.A. (2018) Inherited

two different types of channelrhodopsin genes, Sci. Rep., 7,

retinal degenerations: current landscape and knowledge

41210, doi: 10.1038/srep41210 1.

gaps, Trans. Vis. Sci. Tech., 7, 6, doi: 10.1167/tvst.7.4.6.

21.

Greco, J.A., Wagner, N.L., Jensen, R.J., and Birge, R.R.

33.

RetNet: http://www.sph.uth.tmc.edu/RetNet/. Accessed

(2017) Stimulation of retinal ganglion cells using an ion#

July 9, 2018.

mediated, protein#based retinal implant, Invest. Ophthalmol.

34.

Baker, C.K. and Flannery, J.G. (2018) Innovative optoge#

Vis. Sci., 58, 4184.

netic strategies for vision restoration, Front. Cell Neurosci.,

22.

Berndt, A., Lee, S.Y., Wietek, J., Ramakrishnan, C., Stein#

12, 316, doi: 10.3389/fncel.2018.00316.

berg, E.E., Rashid, A.J., Kim, H., Park, S., Santoro, A.,

35.

Petit, L., Khanna, H., and Punzo, C. (2016) Advances in

Frankland, P.W., Lyer, S.M., Pak, S., Ahrlund#Richter, S.,

gene therapy for diseases of the eye, Hum. Gene Ther., 27,

Delp, S.L., Malenka, R.C., Josselyn, S.A., Carlen, M.,

563-579, doi: 10.1089/hum.2016.040.

Hegemann, P., and Deisseroth, K. (2016) Structural foun#

36.

Yue, L., Weiland, J.D., Roska, B., and Humayun, M.S.,

dations of optogenetics: determinants of channelrhodopsin

(2016) Retinal stimulation strategies to restore vision: fun#

ion selectivity, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 113, 822-829,

damentals and systems, Prog. Retin. Eye Res., 53, 21-47.

doi: 10.1073/pnas.1523341113.

doi: 10.1016/j.preteyeres.2016.05.002.

БИОХИМИЯ том 84 вып. 5 2019

646

ОСТРОВСКИЙ, КИРПИЧНИКОВ

37.

Jones, B.W, Kondo, M, Terasaki, H, Lin, Y., McCall, M,

nal bipolar cells by a synthetic adeno#associated virus cap#

and Marc, R.E. (2012) Retinal remodeling, Jpn. J.

sid and promoter, EMBO Mol. Med., 6, 1175-1190, doi: 10.

Ophthalmol., 56, 289-306, doi: 10.1007/s10384#012#0147#2.

15252/emmm.201404077.

38.

Curcio, C.A., Medeiros, N.E., and Millican, C.L. (1996)

53.

Mace, E, Caplette, R, Marre, O.,Sengupta, A., Chaffoli, A.,

Photoreceptor loss in age#related macular degeneration,

Barbe, P., Desrosiers, M., Bamberg, E., Sahel, J.A.,

Invest. Ophthalmol. Vis. Sci., 37, 1236-1249.

Picaud, S., Duebel, J and Dalkara, D. (2015) Targeting

39.

Marc, R.E., Jones, B.W., Anderson, J.R., Kinard, K.,

channelrhodopsin#2 to ON#bipolar cells with vitreally

Marshak, D.W., Wilson, J.H., Wensel, T., and Lucas, R.J.

administered AAV restores ON and OFF visual responses

(2007) Neural reprogramming in retinal degeneration,

in blind mice, Mol. Ther., 23, 7-16, doi:10.1038/mt.

Invest. Ophthalmol. Vis. Sci., 48, 3364-3371, doi: 10.1167/

2014.154.

iovs.07#0032.

54.

Van Wyk, M., Pielecka#Fortuna, J., Lowel, S., and

40.

Mazzoni, F., Novelli, E., and Strettoi, E. (2008). Retinal

Kleinlogel, S. (2015) Restoring the ON switch in blind reti#

ganglion cells survive and maintain normal dendritic mor#

nas: opto#mGluR6, a next#generation, cell#tailored opto#

phology in a mouse model of inherited photoreceptor

genetic tool, PLoS Biol., 13, e1002143, doi.org/10.1371/

degeneration, J. Neurosci., 28, 14282-14292, doi: 10.

journal.pbio.1002143.

1523/JNEUROSCI.4968#08.2008.

55.

Koizumi, A, Tanaka, K.F, and Yamanaka, A. (2013) The

41.

Medeiros, N.E., and Curcio, C.A. (2001) Preservation of

manipulation of neural and cellular activities by ectopic

ganglion cell layer neurons in age#related macular degene#

expression of melanopsin, Neurosci. Res., 75, 3-5, doi: 10.

ration, Invest. Ophthalmol. Vis. Sci., 42, 795-803.

1016/j.neures.2012.07.010.

42.

Hartong, D.T., Berson, E.L., and Dryja, T.P.

(2006)

56.

De Silva, S. R., Barnard, A.R., Hughes, S., Tam, S.K.E.

Retinitis pigmentosa, Lancet, 368, 1795-1809, doi: 10.

Martin, C., Singh, M.S., Barnea#Cramer, A.O., McCle#

1016/S0140#6736(06)69740#7.

ments, M.E., During, M.J., Peirson, S.N., Hankins, M.W.,

43.

Strettoi, E., and Pignatelli, V. (2000) Modifications of reti#

and MacLaren, R.E. (2017) Long#term restoration of visu#

nal neurons in a mouse model of retinitis pigmentosa, Proc.

al function in end#stage retinal degeneration using subreti#

Natl. Acad. Sci. USA, 97, 11020-11025, doi: 10.1073/

nal human melanopsin gene therapy, Proc. Natl. Acad. Sci.

pnas.190291097.

USA, 114, 11211-11216, doi: 10.1073/pnas.1701589114.

44.

Lin, B., Masland, R.H., and Strettoi, E.

(2009)

57.

Cehajic#Kapetanovic, J., Eleftheriou, C., Allen, A.E.,

Remodeling of cone photoreceptor cells after rod degene#

Milosavljevic, N., Pienaar, A., Bedford, R., Davis, K.E.,

ration in rd mice, Exp. Eye Res., 88, 589-599, doi: 10.

Bishop, P.N., and Lucas, R.J. (2015) Restoration of vision

1016/j.exer.2008.11.022.

with ectopic expression of human rod opsin, J. Curr. Biol.,

45.

Jacobson, S.G., Sumaroka, A., Luo, X. and Cideciyan, A.V.

25, 2111-2122, doi: 10.1016/j.cub.2015.07.029.

(2013) Retinal optogenetic therapies: clinical criteria for

58.

Gaub, B.M., Berry, M.H., Holt, A.E., Reiner, A.,

candidacy, Clin. Genet., 84, 175-182, doi: 10.1111/cge.

Kienzler, M.A., Dolgova, N., Nikonov, S., Aguirre, G.D.,

12165.

Beltran, W.A., Flannery, J,G., and Isacoff, E.Y. (2014)

46.

Busskamp, V., and Roska, B.

(2011) Optogenetic

Restoration of visual function by expression of a light#gated

approaches to restoring visual function in retinitis pigmen#

mammalian ion channel in retinal ganglion cells or

tosa, Curr. Opin. Neurobiol., 21, 942-946, doi: 10.1016/

ON#bipolar cells, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 111,

j.conb.2011.06.001.

5574-5583, doi: 10.1073/pnas.1414162111.

47.

Khabou, H., Garita#Hernandez, M., Chaffiol, A.,

59.

Gaub, B.M., Berry, M.H., Holt, A.E., Isacoff, E.Y., and

Reichman, S., Jaillard, C., Brazhnikova, E., Bertin, S.,

Flannery, J.G. (2015) Optogenetic vision restoration using

Forster, V., Desrosiers, M., Winckler, C., Goureau, O.,

rhodopsin for enhanced sensitivity, Mol. Ther., 23,

Picaud, S., Duebel, S., Sahel, J.A., and Dalkara D. (2018)

1562-1571, doi: 10.1038/mt.2015.121.

Noninvasive gene delivery to foveal cones for vision

60.

Gaub, B.M, Berry, M.H, Visel, M., Holt, A.E., Isacoff, E.Y.,

restoration, JCI Insight, 3, 96029, doi: 10.1172/jci.insight.

and Flannery, J.G. (2018) Optogenetic retinal gene thera#

96029.

py with the light gated GPCR vertebrate rhodopsin,

48.

Lin, Y., Jones, B.W., Liu, A., Tucker, J.F., Rapp, K., Luo, L.,

Methods Mol. Biol., 1715, 177-189, doi: 10.1007/978#1#

Baehr, W., Bernstein, P.S., Watt, C.B., Yang, J.H., Shaw, M.V.,

4939#7522#8_12.

and Marc, R.E. (2012) Retinoid receptors trigger neurito#

61.

Wang, J.S., and Kefalov, V.J. (2011) The cone#specific

genesis in retinal degenerations, FASEB J., 26, 81-92, doi: 10.

visual cycle, Prog. Retin. Eye Res., 30, 115-128, doi: 10.

1096/fj.11#192914.

1016/j.preteyeres.2010.11.001.

49.

Nakajima, Y., Moriyama, M., Hattori, M., Minato, N.,

62.

Williams, S. (2017) Optogenetic therapies move closer to

and Nakanishi, S. (2009) Isolation of ON bipolar cell genes

clinical use, Scientist.

via hrGFP#coupled cell enrichment using the mGluR6

63.

Nirenberg, S., and Pandarinath, C. (2012) Retinal pros#

promoter, J. Biochem., 145, 811-818, doi: 10.1093/jb/

thetic strategy with the capacity to restore normal vision,

mvp038.

Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 109, 15012-15017, doi: 10.

50.

Lagali, P.S., Balya, D., Awatramani, G.B., Munch, T.A.,

1073/pnas.1207035109.

Kim, D.S., Busskamp, V., Cepko, C.L., and Roska, B.

64.

Reutsky#Gefen, I., Golan,L., Farah, N., Schejter, A., Tsur, L.,

(2008) Light#activated channels targeted to ON bipolar

Brosh, I., and Shoham, S. (2013) Holographic optogenet#

cells restore visual function in retinal degeneration, Nat.

ic stimulation of patterned neuronal activity for vision res#

Neurosci., 11, 667-675, doi: 10.1038/nn.2117.

toration, Nat. Commun., 4, 1509, doi:10.1038/ncomms2500.

51.

Dalkara, D., Byrne, L.C., Klimczak, R.R., Visel, M., Yin, L.,

65.

Шелепин К.Ю., Пронин С.В., Шелепин. Ю.Е. (2015)

Merigan, W.H., Flannery J.G., and Schaffer, D.V. (2013)

Распознавание фрагментированных изображений и воз#

In vivo#directed evolution of a new adeno#associated virus

никновение «инсайта», Оптический журнал, 82, 72-80.

for therapeutic outer retinal gene delivery from the vitre#

66.

Caporale, N., Kolstad, K.D., Lee, T., Tochitsky, I.,

ous, Sci. Transl. Med., 5, 189ra76, doi: 10.1126/sci#

Dalkara, D., Trauner, D., Kramer, R., Dan, Y., Isacoff, E.Y.,

translmed.3005708.

and Flannery, J.G. (2011) LiGluR restores visual responses

52.

Cronin, T., Vandenberghe, L.H., Hantz, P., Juttner, J.,

in rodent models of inherited blindness, Mol. Ther., 19,

Reimann, A., Kacso, A.E., Huckfeldt, R.M., Busskamp, V.,

1212-1219, doi: 10.1038/mt.2011.103.

Konler, H., Lagali, P.S., Roska, B., and Bennett, J. (2014)

67.

Greenberg, K.P., Pham, A., and Werblin, F.S. (2011)

Efficient transduction and optogenetic stimulation of reti#

Differential targeting of optical neuromodulators to gan#

БИОХИМИЯ том 84 вып. 5 2019

ОПТОГЕНЕТИЧЕСКОЕ ПРОТЕЗИРОВАНИЕ ДЕГЕНЕРАТИВНОЙ СЕТЧАТКИ

647

glion cell soma and dendrites allows dynamic control of

Dagnelie, G. (2013) The Argus II epiretinal prosthesis sys#

center#surround antagonism, Neuron, 69, 713-720, doi: 10.

tem allows letter and word reading and long#term function

1016/j.neuron.2011.01.024.

in patients with profound vision loss, Br. J. Ophthalmol.,

68.

Ivanova, E., and Pan, Z#H. (2009) Evaluation of the adeno#

97, 632-636, doi: 10.1136/bjophthalmol#2012#301525.

associated virus mediated long#term expression of channel#

76.

Chader, G.J., Weiland, J., and Humayun, M.S. (2009)

rhodopsin#2 in the mouse retina, Mol. Vis., 15, 1680-1689.

Artificial vision: needs, functioning, and testing of a retinal

69.

Tomita, H., Sugano, E., Isago, H., Hiroi, T., Wang, Z.,

electronic prosthesis, Prog. Brain Res., 175, 317-332, doi: 10.

Ohta, E., and Tamai, M. (2010) Channelrhodopsin#2 gene

1016/S0079#6123(09)17522#2.

transduced into retinal ganglion cells restores functional

77.

Humayun, M.S., Dorn, J.D., da Cruz, L., Dagnelie, G.,

vision in genetically blind rats, Exp. Eye Res., 90, 429-436,

Sahel, J.A., Stanga, P.E., Cideciyan, A.V., Duncan, J.L.,

doi: 10.1016/j.exer.2009.12.006.

Eliott, D., Filley, E., Ho, A.C., Santos, A., Safran, A.B.,

70.

Wu, C., Ivanova, E, Zhang, Y., and Zhuo#Hua, P. (2013)

Arditi, A., Del Priore, L.V., and Greenberg, R.J. (2012)

rAAV#mediated subcellular targeting of optogenetic tools

Interim results from the international trial of Second

in retinal ganglion cells in vivo, PLoS One, 8, 66332, doi: 10.

Sight’s visual prosthesis, Ophthalmology, 119, 779-788,

1371/journal.pone.0066332.

doi: 10.1016/j.ophtha.2011.09.028.

71.

Zhang, Y., Ivanova, E., Bi, A., and Pan, Z.H. (2009)

78.

Shepherd, R.K., Shivdasani, M.N., Nayagam, D.A.,

Ectopic expression of multiple microbial rhodopsins

Williams, C.E., and Blamey, P.J. (2013) Visual prostheses

restores ON and OFF light responses in retinas with pho#

for the blind, Trends Biotechnol., 31, 562-571, doi: 10.

toreceptor degeneration, J. Neurosci., 29, 9186-9196,

1016/j.tibtech.2013.07.001.

doi: 10.1523/JNEUROSCI.0184#09.2009.

79.

Beyeler, M., Rokem, A., Boynton, G.M., and Fine, I.

72.

Chaffiol, A., Caplette, R., Jaillard, C., Brazhnikova, E.,

(2017) Learning to see again: biological constraints on cor#

Desrosiers, M., Dubus, E, Duhamel, L., Mace, E., Marre, O.,

tical plasticity and the implications for sight restoration

Benoit, P., Hantraye, P., Bemelmans, A.P., Bamberg, E.,

technologies, J. Neural Eng., 14, 051003, doi: 10.1088/

Duebel, J., Sahel, J.A., Picaud, S., and Dalkara, D. (2017)

1741#2552/aa795e.

A new promoter allows optogenetic vision restoration with

80.

Planul, A., and Dalkara, D (2017) Vectors and gene deli#

enhanced sensitivity in macaque retina, Mol. Ther., 25,

very to the retina, Ann. Rev. Vis. Sci., 3, 121-140, doi:

2546-2560, doi: 10.1016/j.ymthe.2017.07.011.

10.1146/annurev#vision#102016#061413.

73.

Wang, W., Nan, Y., Pan, Z.H., and Pu, M. (2017)

81.

Hickey, D.G., Edwards, T.L., Barnard, A.R., Singh, M.S.,

Morphological evaluation of retinal ganglion cells express#

de Silva, S.R., McClements, M.E., Flannery, J.G.,

ing the L132C/T159C ChR2 mutant transgene in young

Hankins, M.W., and MacLaren R.E. (2017) Tropism of

adult cynomolgus monkeys, Sci. China Life Sci., 60,

engineered and evolved recombinant AAV serotypes in the

1157-1167, doi: 10.1007/s11427#017#9055#x.

rd1 mouse and ex vivo primate retina, Gene Ther., 24,

74.

Zrenner, E., Bartz#Schmidt, K.U., Benav, H., Besch, D.,

787-800, doi: 10.1038/gt.2017.85.

Bruckmann, A., Gabel, V.P., Gekeler, F., Greppmaier, U.,

82.

Buck, T.M., Pellissier, L.P., Vos, R.M., van Dijk, E.H.C.,

Harscher, A., Kibbel, S., Koch, J., Kusnyerik, A., Peters, T.,

Boon, C.J.F., and Wijnholds, J. (2018) AAV serotype testing

Stingl, K., Sachs, H., Stett, A., Szurman, P., Wilhelm, B.,

on cultured human donor retinal explants, Methods Mol.

and Wilke, R. (2011) Subretinal electronic chips allow

Biol., 1715, 275-288, doi: 10.1007/978#1#4939#7522#8_20.

blind patients to read letters and combine them to words,

83.

Van Wyk, M., Hulliger, E.C., Girod, L., Ebneter, A., and

Proc. Biol. Sci., 278, 1489-1497, doi: 10.1098/rspb.2010.1747.

Kleinlogel, S. (2017) Present molecular limitations of

75.

Da Cruz, L., Coley, B.F., Dorn, J.D., Merlini, F., Filley, E.,

ON#bipolar cell targeted gene therapy, Front. Neurosci., 11,

Christopher, P., Chen, F.K., Wuyyuru, V., Sahel, J.,

161, doi: 10.3389/fnins.2017.00161.

Stanga, P.E., Humayun, M., Greenberg, R.J., and

PROSPECTS FOR OPTOGENETIC PROSTHETICS OF DEGENERATIVE RETINA

M. A. Ostrovsky^1,2* and M. P. Kirpichnikov^3,4

¹ Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences, 119334 Moscow, Russia;

E=mail: ostrovsky3535@mail.ru

² Lomonosov Moscow State University, Biological Faculty, Department of Molecular Physiology, 119991 Moscow, Russia

³ Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences, 117997 Moscow, Russia;

E=mail: kirpichnikov@inbox.ru

⁴ Lomonosov Moscow State University, Biological Faculty, Department of Bioengineering, 119991 Moscow, Russia

Received September 26, 2018

Revised December 22, 2018

Accepted December 24, 2018

The review considers the prospects for using rhodopsin as an optogenetic “tool” for prosthetics of the degenerative

(blind) eye retina. The principle of optogenetic techniques is briefly described. Retinal#containing proteins, depolarizing

and hyperpolarizing plasma membrane of nerve cells and, accordingly, exciting and inhibiting their physiological activity,

are considered. The questions of which cells of the degenerative retina can be prosthetically treated and what rhodopsin

can be used for this purpose are discussed in detail. Viruses and promoters necessary and suitable for the rhodopsin gene

delivery to certain cells of the degenerative retina are considered. In conclusion, the main provisions and tasks associ#

ated with optogenetic prosthetics of the degenerative retina employing rhodopsins are formulated.

Keywords: optogenetics, retinal#containing proteins, channel rhodopsins, melanopsin, visual rhodopsin, degenerative

retina, ganglion cells

БИОХИМИЯ том 84 вып. 5 2019