科学网—从诺奖发现到Preprints.org预印本：Georg Nagel教授如何进一步改造“光控开关”？-MDPI开放科学的博文
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2026-10-13 13:46
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万众瞩目的2026年诺贝尔奖已经全部揭晓。今年的生理学或医学奖联合授予了卡尔·戴瑟罗思（Karl Deisseroth）、彼得·黑格曼（Peter Hegemann）和格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel），以表彰他们“关于光门控离子通道和光遗传学的发现”。
早在2019年，Georg Nagel教授等人就共同在Preprints.org发表了在该领域的后续研究成果 《具有增强钠和钙通透性的突变型通道视紫红质》 （Mutated Channelrhodopsins with Increased Sodium and Calcium Permeability） 。该预印本随后经过同行评审，发表在MDPI期刊 Applied Sciences 上。
从预印到正式见刊，这项成果以一种快速、便捷的方式传播开来，触达了需要它的人。然而，开放科学的故事并未止步于此——知识的生产、传播等各环节中还有哪些容易被忽视的成本？我们又该如何应对？这正是Preprints.org的网络研讨会 “降低知识成本，加速开放共享” 将继续深入探讨的话题。现在距离研讨会开始已不到20天，诚邀您加入，与多位专家与学者一同交流碰撞！
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接下来，让我们正式走进这篇文章的具体内容，并探寻这项研究与他的获奖发现之间有何关联。
早在光遗传学成为神经科学的重要研究工具之前，科学家们就在微生物中发现了一类特殊的蛋白质——通道视紫红质（channelrhodopsins）。它的特别之处在于，可以直接受到光的控制：光照射到细胞时，通道视紫红质打开，允许带电离子通过细胞膜，从而改变细胞的电活动。
Nagel等人对ChR1和ChR2的发现与研究，为后来利用光控制神经细胞活动奠定了基础。此后，研究人员进一步将这些光敏蛋白引入神经元，使原本难以直接控制的神经活动获得了一个新的“入口”——光。也正是在这一基础上，光遗传学逐渐发展起来，并成为研究神经系统的重要工具。
但对于科学研究来说，一个重要发现往往并不是终点。随着通道视紫红质被越来越广泛地用于神经科学，研究人员开始发现，仅仅拥有一个能够“被光打开”的离子通道还不够。不同实验对这种工具有不同要求：有时希望它对微弱的光就能产生响应，有时希望它打开后能够迅速关闭，以实现快速、连续的神经刺激；有时则希望它能够让某一种特定离子更加容易通过，从而更精确地控制细胞内外的电活动。
因此，在最初发现通道视紫红质之后，一个持续发展的研究方向便是 对这些蛋白质进行改造。 例如，通过改变特定氨基酸，使通道视紫红质表现出更大的光电流、更高的光敏感性或更快的关闭速度。换句话说，科学家所做的，已经从“找到一个可以被光控制的开关”，逐渐变成了 “能不能把这个开关改造成更符合不同研究需求的工具”。
这也正是这篇预印本所关注的问题。它并没有重新寻找一种新的光敏蛋白，而是把目光放在了通道视紫红质上，一个此前已经被注意到、但其离子选择性影响尚未得到充分研究的位置。
Georg Nagel教授等人关注的是 位于跨膜螺旋TM4上的一个保守天冬氨酸残基，并将它分别替换成组氨酸或半胱氨酸。 他们此前已经知道，对这个位置进行改变会影响通道视紫红质的开放和关闭过程，但一个更值得追问的问题是： 如果改变了这个关键位置，它影响的是否不仅仅是“通道开多久”，还会不会改变“哪些离子更容易通过”？ 因此，这项研究比较了ChR2、Chronos和 Ps ChR及其相应突变体的光电流、关闭动力学、光敏感性，以及Na⁺、K⁺和Ca²⁺的通透性，希望进一步了解这个结构位点究竟会怎样影响通道视紫红质的功能。
作者选用非洲爪蟾卵母细胞作为异源表达系统，以便于膜通道电生理定量测定。研究结果首先显示，这些 突变确实明显改变了通道视紫红质的光响应性能。 以经典的ChR2为例，D156H突变体XXM的稳态光电流约为野生型ChR2的30倍，而D156C突变体XXL更达到约48倍；与此同时，这些突变体的膜表达水平有所提高， 通道关闭的速度则明显变慢。 以XXM为例，其关闭过程中的慢相时间约为1100毫秒，而ChR2的关闭时间只有约7.5毫秒；XXL的慢相关闭时间甚至达到约71秒。
图1：ChR2、 Ps ChR和Chronos变体的基本特性。
这样的变化意味着， 通道在受到光刺激后能够保持开放更长时间， 因此即使使用较低的光强，也可以产生较明显的光电流。研究人员进一步发现， Ps ChR D139C的光敏感性约为 Ps ChR野生型的250倍，而XXL相对于ChR2也表现出约130倍的光敏感性。
不过，比“电流变大”更有意思的发现，是这些突变还 改变了通道视紫红质对不同离子的选择性。 ChR2本身是一种非选择性的阳离子通道，同时对H⁺具有较高的通透性。研究人员通过改变细胞外Na⁺、K⁺浓度以及pH，比较不同突变体的反转电位变化，从而分析不同离子通过通道的相对能力。
结果发现，ChR2的D156H突变不仅提高了光电流，还使Na⁺相对于H⁺的通透性提高了约4倍，而D156C的影响则相对有限。进一步研究 Ps ChR时，结果更加明显： Ps ChR本身已经具有较高的Na⁺通透性，而D139H突变之后，Na⁺/H⁺的通透性比进一步提高约5倍，达到研究中测试的通道视紫红质变体中的最高水平。
图2：ChR2、Chronos、 Ps ChR及其突变体的Na⁺和H⁺通透性比较。
为什么Na⁺通透性的变化值得关注？ 因为对于利用光来使神经细胞去极化的通道视紫红质来说，并不是所有阳离子都同样理想。Na⁺进入细胞能够推动膜电位向去极化方向变化，而K⁺外流则可能产生相反的影响。因此， 如果能够让通道更加偏向Na⁺，同时减少不必要的K⁺通透，就可能得到更适合神经刺激的工具。
研究中， Ps ChR D139H的Na⁺/K⁺通透性比达到3.5，而ChR2只有1.2。也就是说，这个突变并不是简单地把所有离子都“放得更多”，而是在一定程度上 改变了通道对于不同离子的偏好，使其更加倾向于Na⁺。 这也解释了为什么作者认为 Ps ChR D139H不仅具有较大的光电流，而且在作为光诱导去极化工具方面具有潜力。
而 文章最值得关注的结果之一，则来自Ca²⁺。 Ca²⁺不仅是维持细胞正常生理活动的重要离子，也是许多细胞信号过程中的关键参与者，因此，如果能够通过光直接控制Ca²⁺的进入，就能够为研究细胞活动提供另一种工具。
研究人员在实验中使用BAPTA阻断非洲爪蟾卵母细胞自身的Ca²⁺激活性Cl⁻电流，以尽可能单独观察Ca²⁺进入所产生的光电流。结果显示，经典ChR2的Ca²⁺电流相对较小，已经具有较高Ca²⁺通透性的CatCh则有所提高，而XXM的Ca²⁺电流甚至高于CatCh。最突出的是 Ps ChR D139H，其Ca²⁺光电流平均超过CatCh的两倍。由此，研究人员认为，这一突变体不仅能够有效地利用光诱导细胞去极化，还可能成为一种用于Ca²⁺操控的有力光遗传学工具。
图3：ChR2、Chronos、 Ps ChR、CatCh、XXM和 Ps ChR D139H的Ca 2+ 通透性比较。
当然，研究也存在一定的局限性。首先，研究所使用的全部电生理数据来自爪蟾卵母细胞体外表达系统，还需要在哺乳动物细胞、活体动物中进一步验证工具表现； 另外，实验依赖BAPTA螯合钙，BAPTA除螯合钙外可能存在其他细胞效应，尽管证据显示内源氯电流被充分抑制，但仍存在实验体系带来的潜在干扰。
尽管存在上述局限，这篇预印本系统揭示了通道视紫红质TM4保守天冬氨酸突变对离子选择性的关键影响，并成功获得了 Ps ChR D139H和XXM等具有高Na⁺和Ca²⁺通透性的新型光遗传学工具。它不仅深化了对通道视紫红质结构-功能关系的理解，也为光遗传学在神经科学和细胞信号调控中的应用提供了更强大的手段。作为诺贝尔奖得主Georg Nagel的后续工作，它充分体现了光遗传学领域从基础发现到工具优化的持续创新。
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