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光遗传学

简介

光遗传学(optogenetics)是指“光刺激基因工程”(optical stimulation plus genetic engineering),它将微生物学、现代遗传(基因)学、神经科学、生物工程科学等各项技术结合起来,实现了对特殊细胞活性的定向控制。


基本原理

当神经元处于静息状态时,细胞膜两边存在着电位差,这就是静息电位。静息电位的产生是由于膜内外各种离子的分布不均衡,以及细胞膜在不同情况下,对各种离子的通透性不同造成的。在静息状态下,细胞膜对K+有较高的通透性,且膜内K+又高于膜外,K+顺着浓度差向膜外扩散;细胞膜对阴离子(A-)无通透性,膜内大分子A-被阻止在膜的内侧,从而形成膜内为负、膜外为正的电位差,这种电位差产生后,可阻止K+进一步向外扩散,使膜内外电位差达到一个稳定的数值,即静息膜电位(resting membrane potential)。当神经元受到刺激而兴奋时,在静息电位的基础上,发生一次扩布性的电位变化,称为动作电位(action potential)。动作电位是一个连续的膜电位变化过程,细胞膜受刺激而兴奋时,膜上Na+通道迅速开放,由于膜外Na+浓度高于膜内,电位比膜内正,所以,Na+顺浓度差和电位差内流,使膜内的负电位迅速消失,并进而转为正电位。这种膜内为正、膜外为负的电位梯度,阻止Na+继续内流。当促使Na+内流的浓度梯度与阻止Na+内流的电位梯度相等时,Na+内流停止,即达到了动作电位的峰值。因此,动作电位的产生和Na+内流息息相关。

首先,给神经元转入膜通道蛋白,如ChR2或NpHR。对于ChR2来说,当有473nm的蓝色激光照射时,这些通道蛋白的通道打开,允许阳离子(如Na+)大量内流,产生动作电位,即让神经元处于兴奋状态。对于NpHR来说,当有580nm的黄色激光照射时,这些通道蛋白的通道打开,允许Cl-通过,使神经元一直处于静息电位,即让神经元保持静息状态。

光遗传的发展前景

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针对中枢神经系统疾病的新疗法。


光遗传学的研究步骤

光遗传学技术的应用主要包括以下 5 个关键步骤:

①    首先需要寻找合适的光敏蛋白,这类蛋白质具有天然的光敏性,或经过修饰后具有的光敏性。

②    其次需要将遗传信息传递,即通过病毒转导、转染、转基因动物等方式将光敏蛋白的遗传信息传递给靶细胞。

③    然后是可控性演示,即通过时间和空间控制演示光线的特定性,实现对细胞活动的精确演示。

④    再次是读取研究结果,即采用电极检测细胞膜内外电压变化,以此来验证光敏蛋白的有效性,并可用荧光性生物传感器来检测不同细胞的读出值。

⑤    最后通过行为测试来评估细胞活动对动物行为整个动物的影响。

光遗传学从2005年到2015年,走过了飞速发展的十年,这一项整合了光学、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伴随着方法与技术不断的发展与完善,正在获得科学界的广泛认可,吉满生物在这个具有划时代意义的时刻,推出AAV腺相关病毒光遗传系列的全套技术服务和不断更新的现货病毒库,来为研究这项技术的研究人员提供一个更快速便捷的产品平台。在此引用Edward S Boyden所言,“10年对于科学来说并不算长,我们才刚刚开始。”



元件注释:

启动子类元件:

1.      CAG:广泛的通用启动子

2.      CMV:针对哺乳动物优化的通用启动子

3.      EF1a : 广泛的通用启动子

4.      SYN:神经元细胞特异性启动子

5.      CaMKII:海马体特异性神经元细胞特异启动子

6.      GFAP:星形胶质细胞特异启动子

几种激活神经元的通道蛋白

1. ChR2:野生型ChR2,是一种在单细胞蓝藻中存在的感光蛋白,其在细胞膜上形成阳离子通道。当表达ChR2的细胞受到蓝光照射时,通道开放,导致细胞去极化。

2. ChR2(H134R):ChR2的突变体,将第134个氨基酸由组胺酸突变为精胺酸,该蛋白质可以产生两倍的光电流,但通道开关速度也比野生的ChR2慢了一倍。

3. ChR2(E123A) : 4 ms快速的通道开关速度;

4. ChR2(E123T/T159C): ChR2的突变体,更大的光电流和更快的动力学变化。

5. ChETA:ChR2的(E123T/H134R)突变体,使得神经元在激光刺激下可以发放200Hz的spike,而其他的ChR2 通道蛋白只能达到40Hz。

6. C1V1:由ChR1及由团藻发现的VChR1组合在一起的通道蛋白,在红色激光刺激下打开通道。

几种抑制神经元活动的通道蛋白

1. NpHR:即为Halorhodopsin,第一个被发现的有效抑制神经元活动的光遗传学工具,会在黄绿激光照射下会将氯离子打进神经元内,而抑制神经元活动。但NpHR在哺乳动物脑内表达时,会聚集在内质网上表达,不能在神经元细胞膜上的高量聚集。

2. eNpHR2.0:将内质网输出元件加在NpHR基因序列后面,这样可使得NpHR在胞内高量表达。

3. eNpHR3.0:将一个高尔基体输出元件和来自于钾离子通道Kir2.1的上膜元件加在eNpHR2.0基因序列后面,实现了神经元细胞膜上的高量聚集,是NpHR系列中效果最好的。

4. Arch:即为archaerhodopsin,是一种黄色激光激活的外向整流质子泵,能够将带正电的质子从神经元内移动到细胞外环境中,使神经元处于超极化状态,从而保证神经元处于静息状态。在特定条件下,可用于增加细胞内pH或减少细胞外基质pH。和NpHR相比,当激光关闭的时候,Arch立即从通道打开状态恢复到关闭状态。

5.Mac:即为 Leptosphaeria maculans fungal opsins,蓝色激光激活的质子泵,能够将带正电的质子从神经元内移动到细胞外环境中,使神经元保持超极化状态,从而保证神经元处于静息状态,使用的较少。


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