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光遗传学最新研究进展

来源:本站原创 2018-10-31 20:17

2018年10月31日/生物谷BIOON/---光遗传学(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敏感基因(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。

光遗传技术具有独特的高时空分辨率和细胞类型特异性两大特点,克服了传统手段控制细胞或有机体活动的许多缺点,能对神经元进行非侵入式的精准定位刺激操作而彻底改变了神经科学领域的研究状况,为神经科学提供了革命性的研究手段。光遗传技术在将来还有可能发展出一系列中枢神经系统疾病的新疗法。

遗传学技术的应用在2010年后得到飞速的发展,应用研究领域涵盖多个经典实验动物种系(果蝇、线虫、小鼠、大鼠、绒猴以及食蟹猴等),并涉及神经科学研究的多个方面,包括神经环路基础研究、学习记忆研究、成瘾性研究、运动障碍、睡眠障碍、帕金森症模型、抑郁症和焦虑症动物模型等应用。

在进行光遗传学技术的运用过程中,科学家们首先要寻找寻合适的光敏蛋白;其次进行相应的遗传信息传递,即通过转染、病毒转导、转基因动物系的建立等方法将光敏蛋白的遗传信息传递给目标细胞;随后科学家们利用可控性演示,通过从时间和空间上控制演示光线的特定性,来实现对细胞活动的精确演示;最后对研究结果进行读取,这一过程研究者可以采用电极通过检测细胞膜内外电压来测量光敏蛋白的荧光效果变化,并可用荧光性生物传感器来检测不同细胞的读出值,进而通过行为测试来评估调整细胞活动对整个动物的影响。

基于此,针对光遗传学技术近期取得的进展,小编进行一番盘点,以飨读者。

1.Cell:重大进展!通过让视紫红质翻转扩大光遗传学工具包
doi:10.1016/j.cell.2018.09.026


在一项新的研究中,来自美国霍华德休斯医学研究所等研究机构的研究人员发现一种对一类称为视紫红质(rhodopsin)的光敏感蛋白进行改造的新方法。通过在细胞膜中翻转这类蛋白,他们能够产生具有不同特性的工具。相关研究结果于2018年10月18日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“Expanding the Optogenetics Toolkit by Topological Inversion of Rhodopsins”。论文通信作者为霍华德休斯医学研究所的Joshua Dudman和Alla Karpova。这种技术能够让用于光遗传学(optogenetics)技术---一种用光来操纵神经元活动的技术---中的蛋白数量增加一倍。这些新开发的杂合视紫红质蛋白让这些研究人员能够开展新的实验,有助于分析大脑回路并研究治疗帕金森病背后的神经科学。
图片来自Cell,doi:10.1016/j.cell.2018.09.026。

受到进化的启发,在Jennifer Brown、Reza Behnam、Luke Coddington和Gowan Tervo的领导下,这些研究人员开发出一种对新的视紫红质进行改造的补充技术。除了突变之外,重组---通过基因改组(gene reshuffling)让具有不同功能的蛋白结构域组合在一起---的存在也使得蛋白多样性在自然界中出现。科学家们认为重组对于一小部分蛋白---通过进化,它们在细胞膜中的定向发生变化---的出现是至关重要的。

当这些研究人员通过在一种视紫红质的一端添加一种新的蛋白来模拟重组时,它发生了翻转。这真地是出于意料之外的。如果每一个现有的经过改造的或新发现的视紫红质在翻转时都能获得新功能,那么这可能导致用于光遗传学技术中的蛋白工具翻倍。他们不仅能够改变蛋白在细胞膜中的定向,而且还能够发现这些新的经过改造的视紫红质具有独特而有用的新功能。其中的一种的称为FLInChR(Full Length Inversion of ChR,ChR的全长翻转)的视紫红质刚开始时起着激活神经元的作用。当发生翻转时,它变成一种强效且快速的抑制剂,可用于开展新的实验。

2.Science光遗传学重大突破!上转换纳米颗粒助力大脑深部刺激!或将颠覆神经疾病治疗!
doi:10.1126/science.aaq1144; doi:10.1126/science.aar7379


日本理化研究所(RIKEN)脑科学研究所研究组长Thomas McHugh及其同事现在找到了将光非侵入性导入到脑深处的新方法。在他们昨天发表于《Science》上的文章中,他们使用上转换纳米颗粒(UCNPs)将激光导入到了头盖骨深处。这种纳米颗粒可以在传统光遗传学无法达到的深度吸收近红外光并将它们转变为可见光。这种方法被用于激活大脑不同区域的神经元、沉默癫痫及激活记忆细胞。“纳米颗粒可以有效地延长我们光纤可以到达的深度,从而可以进行光的远程递送,实现非侵入性治疗。”McHugh说道。

除了激活神经元,UCNPs也可以用于抑制癫痫小鼠病情。研究人员给小鼠海马区注射了可以发出绿光的纳米颗粒,随后用近红外光在头盖骨表面进行照射。结果这些小鼠的癫痫神经元被有效沉默。在另一个叫做内侧隔核的区域,纳米颗粒发出的光促进了神经元theta周期(一种重要的脑电波)的同步。在具有恐惧记忆的小鼠中,研究人员使用可以发光的UCNPs成功在海马区激起了小鼠的恐惧记忆。这些神经元激活、抑制和记忆激起效应只在注射了纳米颗粒的小鼠身上观察到。

3.Science:助推光学遗传学发展!解析出紫红质通道蛋白2的三维结构
doi:10.1126/science.aan8862; doi:10.1126/science.aar2299


紫红质通道蛋白2(channelrhodopsin 2, ChR2)是一种广泛用于光遗传学技术(optogenetics)的膜蛋白。光遗传学技术是一种相对较新的技术,涉及利用光来操纵活的有机体中的神经元和肌肉细胞。类似的方法已被用来部分地逆转听力/视力丧失和控制肌肉收缩。

图片来自MIPT。

为了揭示出ChR2的结构,来自德国、法国、俄罗斯和捷克的研究人员使用了一种被称作X射线衍射的分析技术。这种技术仅用于分析以晶体形式存在的蛋白样品。他们在一种所谓的允许蛋白在不离开膜的情形下自由地移动的立方体脂质中间相(cubic lipid mesophase)中培养ChR2蛋白晶体。他们利用波长大约为1埃的X射线照射他们培养的ChR2蛋白晶体,通过分析X射线在这种蛋白晶体中的衍射情况,成功地解析出ChR2蛋白的结构。相关研究结果发表在2017年11月24日的Science期刊上,论文标题为“Structural insights into ion conduction by channelrhodopsin 2”。

4.Hippocampus:“光遗传学”疗法或能够恢复部分阿兹海默症患者的记忆
doi:10.1002/hipo.22756


最近,来自哥伦比亚大学的研究者们在《Hippocampus》杂志上发表文章称通过光遗传学的手段能够恢复患阿兹海默症小鼠的记忆。这一发现也许能够改变我们对于这一疾病的理解。

首先,作者通过给小鼠进行光遗传学改造,使其在储存记忆的时候发射光色的荧光,而在重新获取记忆的时候发射红色的荧光。之后,作者给予接受了遗传改造的野生型小鼠与阿兹海默症小鼠以柠檬气味的刺激,之后再施加电刺激,从而使这两项记忆形成关联。一周之后,作者再次给这些小鼠柠檬气味的刺激。结果显示,野生型小鼠能够同时出现黄色与红色的荧光,而且出现了恐惧的表现,这说明其在形成记忆的同时也发生了记忆的重新获取(recall)。然而,阿兹海默症小鼠大脑发光的区域则明显不同,说明它们的大脑在记忆重新获取的过程中发生了紊乱。之后,研究者们利用一束蓝光刺激小鼠的大脑,从而能够再次激活小鼠对柠檬气味以及电刺激的记忆,从而小鼠在再次闻到上述气味的时候出现了颤栗的表现。

5.Cell:光遗传学让老鼠化身残忍杀手
doi:10.1016/j.cell.2016.12.027


每只老鼠体内都隐藏着一个杀手。研究人员已经找到了大脑中控制猎食行为的区域,并成功找到一种控制其开关的方式。来自耶鲁大学的Ivan de Araujo博士及其同事发现了大脑中两组控制小鼠猎杀行为的神经,一组协调追逐猎物,另一组则控制颈部和下颌的肌肉,两组神经都在杏仁核中,杏仁核是人体涉及动作、感情和恐惧的区域。
图片来自Cell, doi:10.1016/j.cell.2016.12.027。

通过修饰这些神经,他们可以通过激光激活这些神经,这个技术就叫做光遗传学,研究团队因此能够在任何时候控制这些通路的开关。当激光关掉时,小鼠就正常行走在在笼子周围,一旦激光打开,小鼠就会狂乱地攻击它们路途中的任何事物:活蟋蟀、假昆虫甚至是树枝或者瓶盖。它们会扑到猎物上,用爪子抓住猎物并反复撕咬。

之后,研究人员尝试分别抑制每组神经的功能,当他们抑制负责追捕猎物的神经时,老鼠追赶速度更慢,但是依然会撕咬;反过来,如果抑制负责撕咬的神经,老鼠就会追捕猎物,但是不撕咬。

6.Oncotarget:首次利用光遗传学控制肿瘤发生
doi:10.18632/oncotarget.8036


在一项新的研究中,来自美国塔夫斯大学的研究人员基于青蛙模型首次证实利用光控制细胞之间的电信号,阻止肿瘤形成,以及在肿瘤形成后,让它们正常化。这项研究是首次报道利用光遗传学特异性地操纵生物电信号从而阻止癌基因诱导的肿瘤形成,和导致癌基因诱导的肿瘤消退。相关研究结果于2016年3月16日在线发表在Oncotarget期刊上,论文标题为“Use of genetically encoded, light-gated ion translocators to control tumorigenesis”。

青蛙是一种好的模式生物用于癌症基础科学研究,这是因为青蛙和哺乳动物的肿瘤拥有很多相同的特征,其中就包括快速的细胞分裂、组织破坏、血管生长增加、浸润性和含有异常内部正电压的细胞。相对于细胞外面,几乎所有健康的细胞在细胞内部维持着更大的负电压;打开和关闭细胞膜中的离子通道能够导致电压变得更加正性(让细胞去极化)或更加负性(让细胞极化)。在其他方面正常的条件下,利用肿瘤的异常生物电信号特征就能够检测它们。

7.Neuron:删除记忆?未来或许真可以
doi:10.1016/j.neuron.2014.09.037


近日,刊登在国际著名杂志Neuron上的一篇研究论文中,来自加州大学戴维斯分校神经科学研究中心的研究人员利用光成功地剔除掉了小鼠大脑中的特殊记忆,该研究或为揭示大脑不同部分如何联合工作来恢复情景记忆的机制提供了一定的思路。

遗传学(Optogenetics)是一种利用光来研究神经细胞的新型技术,近年来,该技术正在被科学家们快速采用作为标准方法来进行大脑功能的研究。文章中研究者Kazumasa Tanaka将该技术应用于进行记忆恢复等的研究中,长达40年来,科学家们假设恢复情景记忆(即便在特殊场所发生的特殊事件等)涉及大脑皮层和大脑海马体之间的协调活动,该理论就是要研究在情景记忆恢复过程中涉及大脑皮层和海马体的大脑活动重新产生活性的模式,从而使得个体再次经历那些事件,如果海马体被损伤,那么病人就会失去数十年的记忆。

文章中,研究人员利用遗传修饰化的小鼠进行研究,当小鼠神经细胞被激活后其可以全部发绿色荧光并且表达特殊蛋白质来促进神经细胞被光关闭,研究者将小鼠置于笼中对其训练,在笼中小鼠会经历电休克,正常情况下处于新环境中的小鼠会利用嗅觉来适应环境,但是当将其进行电休克后置于新环境中,他们就会处于一种恐惧反应中。

8.Nature:光遗传学工具新希望,光驱动钠离子通道KR2结构被解析
doi:10.1038/nature14322


日本科学家在国际著名期刊《自然》发表学术文章称,他们解析出了光驱动钠离子通道蛋白KR2结构,为未来新一代的光遗传学工具创造了可能。

很多生物都可以吸收光的能量或者感知光的信息,靠的是一种视紫红质分子。这种分子是有一个7个α螺旋跨膜蛋白(视蛋白)通过共价键连接在一个视黄醛分子上。根据视蛋白的种类可以分为动物和微生物视蛋白。而微生物的视紫红质功能与动物中不同,主要是作为离子通道,离子转运蛋白,感光分子或者是激酶。这种微生物的视紫红质受到越来越多的关注。这是因为,离子通道和离子泵类型的视紫红质可以用来在很多活体生物的神经细胞活动,已经成为了神经科学领域非常强大的光遗传学工具。

通常认为,席夫碱的带正电荷的氢离子会定位于所有的光离子泵的离子通道中,并且被认为可以阻止阴离子和中性分子通过。KR2结构的解析又提出了新问题,就是这种离子泵是如何转运钠离子的。

9.Neuron:芝加哥科学家实现光遗传学技术新突破
doi:10.1016/j.neuron.2015.02.033


随着近年来科学家在表观遗传学领域研究的深入,人们开始希望通过体外刺激的方式来控制体内细胞尤其是神经元细胞的状态。这一领域有着广阔的应用前景,如治疗黄斑病变等遗传病。以此为基础,光遗传学等学科纷纷被建立起来。不过,目前为止,为了实现这一目标,研究人员不得不对神经元进行基因改造。这也极大阻碍了这一技术的普及。
图片来自Neuron, doi:10.1016/j.neuron.2015.02.033。

最近来自芝加哥大学和伊利诺伊大学芝加哥分校的研究人员们在这一领域实现了突破。研究人员利用远红外光产生的热量来控制正常神经元细胞正常的生命活动。不同于以往在正常神经元细胞中表达光敏蛋白的做法,来自芝加哥的科学家们选择使用金纳米颗粒来定位特定的神经元。为了解决金纳米颗粒专一性的问题,研究人员将一种蝎神经毒素Ts1连接到金纳米颗粒上。Ts1可以通过识别神经元细胞表面的钠离子通道来靶向识别神经元细胞。这也是人类首次在不改造神经元遗传特性的基础上,实现光控神经元活动的目的。不过,这一研究仍处于早期阶段,研究人员同时表示Ts1可能对神经元细胞存在毒性。这一研究工作被发表在Neuron杂志上。

10.Nat Methods:光敏剂控制细胞靶向
doi:10.1038/nmeth.3735


发表于国际杂志Nature Methods上的一项研究报告中,来自美国卡内基梅隆大学的研究人员为光遗传学中的光敏剂重新设计开发了一种荧光探针用于控制细胞,该项技术或可帮助理解特定细胞和蛋白质在疾病发生中的作用,也为后期开发癌症或其它疾病的靶向性疗法提供希望。

光遗传学就是利用光来控制机体的生物学过程,研究者通常通过将光激活的组分重新编程入有机体的遗传代码中来实现光控细胞的过程,当这些组分暴露于光下,其就会促进部分机体组织发挥完全不同的功能。研究者花费了将近10年时间来开发名为荧光团激活蛋白(fluorogen-activating proteins,FAPs)的荧光探针,其常被用于在活细胞中实时监测蛋白质的活性,一种荧光团激活蛋白通常会在细胞中进行遗传性地表达,当其同名为荧光发生素的荧光染料接触时,复合物就会发光从而使得科学家们可以对其进行观察和追踪。

研究者Bruchez说道,为了开发光遗传学的标签,文章中我们对荧光染料进行了工程化操作,使其不仅可以发光,而且还可以产生单线态氧(Singlet Oxygen),单线态氧是一种氧气的毒性形式,当其结合荧光团激活蛋白并且暴露于光下后,靶向荧光团激活蛋白及光敏剂激活方法(FAP-TAPS)就会使得科学家们清楚看到标记的蛋白质,同时还可以选择性地抑制这些蛋白质的活性。(生物谷 Bioon.com)

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