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光遗传技术:21世纪神经科学领域最引人注目的革新!

来源:生物谷 2017-04-27 15:11



遗传学(optogenetics)是近几年正在迅速发展的一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物工程技术,其主要原理是首先采用基因操作技术将光感基因(如ChR2,eBR,NaHR3.0,Arch或OptoXR等)转入到神经系统中特定类型的细胞中进行特殊离子通道或GPCR的表达。光感离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子的通过产生选择性,从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化,达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。光遗传技术克服了传统只用光学手段控制细胞或有机体活动的许多缺点,为神经科学的研究提供了一种变革性的手段。

目前,科学家已找到可用于控制细胞行为的光敏蛋白,并开发出具有各种功能的检测工具,同时,随着光传导技术的发展,使得对生物研究的演示(不论是其体内还是体外)的控制程度达到了前所未有的水平。两者并驾齐驱,让科学家们利用光遗传学在生命科学领域取得了空前的成就。本文生物谷小编就为大家慢慢道来,一起学习进步。

光激活的CRISPR-Cas9系统

人们熟知的基因编辑工具CRISPR不断地在带给我们新的研究成果。许多研究人员利用CRISPR的同时,也在专注改进这一技术。通过CRISPR与光遗传学的结合,科学家们构建出了一种系统,利用光开关激活单个基因或蛋白。德克萨斯大学西南医学中心生化学家及细胞生物学家Laura Motta-Mena,利用来自细菌的光激活转录因子,激活了一系列有机物的基因。



来源:《Cell Chemistry & Biology.》

由东京大学Moritoshi Sato和杜克大学Charles Gersbach带领的两项研究,开发出了基于CRISPR-Cas9的转录激活系统,利用光激活以CRISPR-Cas9为基础的基因目标,以此实现高精度控制基因编辑或表达。该系统包括一对融合蛋白:一个蛋白把灭活Cas9蛋白结合到一个称为CIb1的蛋白,另外一个蛋白将一个转录激活结构域结合到隐花色素2(CRY2)。用蓝光照亮表达这两个蛋白质的细胞和引导性RNA,可使两个蛋白质片段配对,将转录激活结构域拴在DNA上,并激活转录。本设计为以前这种构成性的合成转录因子引入了一种调控机制。这两项研究分别发表在Cell旗下子刊《Cell Chemistry & Biology》、Nature旗下子刊《Nature Chemical Biology》。

光来操控神经元

去年5月,在Cell杂志上发表的一篇新论文中,由光遗传学之父、斯坦福大学Karl Deisseroth教授带领的研究小组,采用两项变革性研究技术:光遗传学和CLARITY,来展示前额回路如何处理彼此根本不同的正面和负面体验、它们如何发挥作用以及它们如何连接到大脑的其他部分。

CLARITY是一项了不起的化学工程壮举,这样技术保留了大脑3D结构、神经回路及其他生物机制的完整性,展现了大脑中复杂的精细连接和分子结构。在此基础上,人们可以根据需要通过光或化学物质进行研究。在光遗传学中,研究人员控制了活体动物体内特定的神经元,然后,该研究团队能够评估这些特定的神经元是如何影响行为结果的。



图片来源:web.mit.edu

通过在同样的实验中联合两种技术,研究人员不仅能够确定,正面体验的细胞的分子签名不同于那些负面体验的细胞——可卡因和巧克力与产生一个特定分子标记(称为NPAS4)的细胞有关,而且积极和消极体验的细胞能够以两种根本不同的方式,被连接到大脑中遥远的部位。这项研究成果被称为革命性的突破。

另外,研究人员还在海藻中发现了一种紫红质通道蛋白(channelrhodopsin),相比于以往开发的工程通道它能够更快地抑制神经元活动。这为在光遗传学中更精确地抑制细胞放电打开了新选项。

科学家们还开发出了一种方法在光遗传学控制下给予神经元即时反馈,将它们的活性维持在一个所期望的状态。这一“神经自动调温器”可在24小时内控制细胞放电速度常数。就像自动调温器响应温度一样,如果放电速度偏离了编程到电脑中接收电极信号的理想速度,会立即调整光强度补偿这一改变

光控制基因的新型疗法准备进入临床试验

近日,来自Circuit Therapeutics公司的研究人员通过对小鼠腿部的神经打结来使得小鼠对触碰产生过敏反应,但当研究者戳动小鼠脚并且照射黄光时,小鼠就不会产生反应。

这种疗法是一种近年来利用光遗传学进行临床使用的方法,光遗传学是利用光来控制基因的表达及神经冲动;今年3月份,RetroSense Therapeutics公司就开始利用光遗传学疗法进行首个临床安全试验来治疗视网膜色素变性。

很多科学家都期待这项临床试验的结果,以帮助他们进行后期的研究计划以及光遗传学的不同应用;来自华盛顿大学的研究者Robert Gereau说道,如果传来好消息的话或许会让很多研究者鼓足勇气继续深入研究下去,而且相关的临床试验还为阐明治疗神经性疾病的新型疗法提供了一定线索。

未来光遗传技术将成为医疗界人人都会使用的技术。2017年6月16-17号,由生物谷主办的2017光遗传学与疾病研究研讨会(http://meeting.bioon.com /2017optogenetics)将在上海好望角隆重召开。

本次会议邀请了神经环路重大研究计划专家、光遗传技术与基础研究相关国内外高校及研究所专家、神经系统疾病研究者、非神经系统疾病研究领域人员等齐聚一堂,围绕光遗传技术研究进展、光遗传技术在神经系统和非神经系统以及多学科领域中的应用方向进行深入的交流与探讨,帮助从事光遗传技术开发的科研工作者们和临床疾病研究工作者紧密合作,推广光遗传技术在神经领域和多学科领域中的应用,为广大的科学研究者们提供宽广的交流和合作平台。

参考来源:

1,Yuta Nihongaki, Shun Yamamoto, Fuun Kawano, Hideyuki Suzuki, Moritoshi Sato'Correspondence information about the author Moritoshi Sato.CRISPR-Cas9-based Photoactivatable Transcription System.Cell Chemistry & Biology.DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.chembiol.2014.12.011

2,A light-inducible CRISPR-Cas9 system for control of endogenous gene activation.Nature Chemical Biology 11, 198–200 (2015) doi:10.1038/nchembio.1753

3,Zalocusky KA1,2,3, Ramakrishnan C1,3, Lerner TN1,3, Davidson TJ1,3, Knutson B4, Deisseroth K1,3,5.Nucleus accumbens D2R cellssignalprior outcomes and control risky decision-making.Nature. 2016 Mar 31;531(7596):642-6. doi: 10.1038/nature17400. Epub 2016 Mar 23

4,Vision science: Seeing without seeing.Nature doi:10.1038/469284a

5,Taeuk Kim,Marc Folcher,Marie Doaud-El Baba,Prof. Martin Fussenegger.A Synthetic Erectile Optogenetic Stimulator Enabling Blue-Light-Inducible Penile Erection?Angewandte Chemie DOI:10.1002/anie.201412204

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2017光遗传学与疾病研究研讨会

会议时间:2017.6.16--6.17      会议地点:上海

会议详情: http://meeting.bioon.com/2017optogenetics?__token=bpc-zixundibu

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