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Nature Methods:光遗传学新工具

来源:生物通 作者: 2010-7-18
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摘要: 光遗传学(optogenetic)技术是指将光学技术与遗传学技术相结合,在动物体内针对神经系统开展研究的技术,比如说可以结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性,发现脑部如何产生γ波(gammaoscillations),并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据,这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。近期《NatureMethods》......


遗传学(optogenetic)技术是指将光学技术与遗传学技术相结合,在动物体内针对神经系统开展研究的技术,比如说可以结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性,发现脑部如何产生γ波(gamma  oscillations),并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据,这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。



近期《Nature  Methods》总结了光遗传学技术的一些新工具,希望能够通过这些新方法研究神经元细胞相互之间是如何形成功能的,以及通过控制着神经元细胞内部或者之间电信号的开关,达到神经修复的作用。





光遗传学是由斯坦福大学的研究人员开始用于研究小鼠大脑的,他们将这项技术称之为Optogenetics(optical  stimulation  plus  genetic  engineering  光刺激基因工程/光遗传学),这个技术的关键是:科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因,这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应,还能通过自生特性感染类似的细胞。



2009年,研究人员就利用这种光控技术选择并打开了某种生物的一类细胞。这也帮助科学家解答一个长期存在的难题,即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。他们在清醒的斑马鱼幼虫的这些细胞中靶向插入光敏开关,结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为—幼虫典型的周期性摆尾。



使用这些光遗传学(optogenetic)工具,能够激活清醒哺乳动物的单一神经元,并直接演示神经元激活表现出的行为结果。该光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。  



研究人员介绍说,该研究使用的新技术可以推广到所有类型的神经细胞,比如大脑的嗅觉,视觉,触觉,听觉细胞等。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域,可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。



在光遗传学试验中,研究人员能够在感兴趣的能调控电信号的靶细胞上表达来自视蛋白的光学门控离子通道(light-gated  ion  channels),比如视紫红质通道蛋白2(channelrhodopsin-2,ChR2)和嗜盐菌紫质(halorhodopsin)一类的视蛋白都已经成为了神经生物学实验室中的常用蛋白。科学家可以分别利用蓝光和红光来激活(去极化)或抑制(超极化)一系列的经过遗传改造的神经元细胞。但是和其它任何一种生物研究工具一样,这些视蛋白也不是十全十美,因此科学家又开始寻找新一代的光遗传学工具。



来自在麻省理工学院的研究人员在07年就第一次用嗜盐菌紫质关闭了神经元细胞。不过,他们并不满足于嗜盐菌紫质现有的电流大小和恢复时间,于是又开始到其它的生态系统中寻找新视蛋白。现在,这一小组已经报道了几个新的视蛋白分子,比如Chow等人在2010年发表的论文中报道的可以作为神经细胞开关的光门控质子泵等。



他们对古细菌、细菌、植物和真菌的视蛋白新性质进行了筛选,发现了神经控制的一个全新机制:光驱动质子泵输。虽然质子原本并不是被神经系统用作载荷子,但来自Halorubrum  sodomense的archaerhodopsin-3的光驱动质子泵输,能响应于光照来调控强大的神经沉默作用。来自真菌Leptosphaeria  maculans的一个质子泵能够在蓝光照射下启动神经沉默。这些试剂的使用将有助于用光来关闭神经回路,作为研究神经回路在行为和病理中所起作用的一种工具。



研究人员注意到了这两种新的质子泵:来自苏打盐红菌(Halorubrum  sodomense,一种古细菌)的Arch蛋白和来自油菜黑胫病真菌(Leptosphaeria  maculans)的Mac蛋白。这两种分子相比传统的视蛋白具有三点明显的优势,一是能形成更大的电流;二是能自我恢复;三是具有不同的颜色偏好性(Arch蛋白对黄色光敏感,Mac蛋白对蓝色光敏感)。这样就能利用不同颜色的光线来针对性地抑制相邻的神经元细胞了。Boyden等人也的确利用嗜盐菌紫质和Mac蛋白做到了这一点。更重要的是,在神经元细胞中表达这些视蛋白并不会影响胞内的pH值,因为神经元细胞具有自我限制机制,能够防止细胞因为质子进出细胞流动幅度过大而出现电压不稳的情况出现。



新发现蛋白中的Mac蛋白在蓝光中能关闭神经元,在黄光中则不能。在一种细胞中表达Mac蛋白而在另一细胞中表达对黄光敏感的抑制蛋白,这样就能分别关闭同源的两组神经元,如已移至脑部其他区域的前额叶皮层神经元。



目前这群科学家正与Eos公司合作,该公司旨在用光遗传学治疗失明。另一家新公司希望能用这种技术治疗脊髓损伤。这些努力能否获得成功,还取决于将基因和光安全有效地输入神经元的技能如何,这并非一日之功。



另外来自德国柏林洪堡大学的研究人员构建了一个新型的ChR2蛋白——ChETA,这种蛋白最引人注目的特点之一就是它能以40  Hz的频率(又名γ振荡)刺激神经元细胞,这是ChR2蛋白做不到的。研究人员发现,高频振荡对于大脑功能来说可能更为重要,ChETA蛋白来的正是时候。他们在快速放电大脑皮质小白蛋白中间神经元细胞(fast-spiking  cortical  parvalbumin  interneurons)上表达ChETA蛋白,结果发现ChETA蛋白能够增强细胞对广泛频率范围2毫秒光波刺激信号的反应性。



这种新工具可能会促进神经药物治疗领域的发展,如果将这个概念延展到酶学领域,那么是否能够通过光线控制基因表达呢?如果真是这样,那么就能将光遗传学技术拓展到细胞生物学或者细胞发育等研究领域了。



使用这些光遗传学工具,能够激活清醒哺乳动物的单一神经元,并直接演示神经元激活表现出的行为结果。光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。光遗传学研究使用的新技术可以推广到所有类型的神经细胞,比如大脑的嗅觉,视觉,触觉,听觉细胞等。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域,可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。在未来几年里光遗传学工具的发展还将继续下去,而这些工具也必将被应用到更为广阔的领域,比如心脏细胞研究领域等。



上文提到的麻省理工的研究人员已经先行一步,他们与Eos公司合作,希望能用光遗传学治疗失明,他们认为尽管光控技术还没有像用于蝇、鼠、猴那样应用于人脑,但光遗传学必将带给医学突破性进展。如果光遗传学能检定出神经类和精神类疾病的紊乱脑回路,就可用药物或更可靠技术如深部脑刺激术,来治疗这些细胞。



(生物通:万纹)

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