威武霸气的光遗传学

人脑的神经细胞通过电活动相互联系,但要准确指出特定神经回路的功能绝非易事。目前或以受损脑区来推测其功能,或以化学方法变异或抑制特定基因,但结果都不够高效准确。

 

近年来有霸星横空出世-威武霸气的光遗传学强势登场

 

何为光遗传学?

 

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。它是结合遗传工程与光这一新的光控方法来选择和打开某种生物的某一类细胞,并操作个别神经细胞的活动,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的崭新学科。它可以帮助科学家在体研究特定组织细胞,如某类神经元细胞的功能,在此基础上,可进一步分析病理生理情况下这些细胞的生物学功能的变化,并可通过感光刺激影响调节特定神经元细胞的功能。

 

光遗传学克服了传统的只用光学手段控制细胞或有机体活动的许多缺点,为神经科学提供了一种变革性的研究手段。这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。光遗传学被<自然>杂志评选为“2010年度最受关注科技成果技术”之一。Nature Methods杂志在十周年之际推出了纪念特刊,点评了在过去十年中对生物学研究影响最深的十大技术,其中就包括光遗传学技术。我们可以毫不夸张地说,光遗传学技术给神经学带来了一场革命。现在,这一技术已经迅速成为了许多实验室里的标准工具。越来越多的人相信,光遗传学技术不仅可以阐明疾病机理,还能够治疗多种人类疾病(比如与视网膜有关的疾病)。

 

那么它的原理是什么呢?

 

光遗传学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。

 

光遗传学技术好在哪里?

 

用光读取和控制神经活性的好处很明显,这种技术是非侵入性的,能在精确的时空点上进行靶标,可以同时采用多种波长和位点,能报告特定分子的存在或活性。在信号读取方面,人们开发了高度敏感的探针,检测突触的释放、细胞内钙离子和膜电压。在神经元操纵方面,人们鉴定和优化了一系列激活和失活神经元的蛋白。

光遗传学技术已经渗透到了神经学的每一个角落,研究者们不仅用它来研究大脑的基础功能,还在动物模型中探索疾病的发病机制。光遗传学的激活子和抑制子可以在同一个细胞内表达,这对于因果关系的建立特别有帮助。

 

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在光遗传学领域,开发新探针是至关重要的。人们对光敏蛋白Channelrhodopsin及其突变体进行不断改造,开发了更利于双光子激发的C1V1、能在大脑深处或透过头盖骨激活的ReaChR。最近,研究者们还在高分辨率晶体结构的基础上,改造出了光遗传学抑制子。

 

光遗传学的小鼠实验非常成功。某种良性病毒注入小鼠脑内,使细胞膜和细胞兴奋相关的离子通道对光产生反应。用聚焦光束照射脑组织,能人为地调节脑细胞的放电频率,观察、验证不同脑区的功能。该实验可以揭示人类1000亿个神经细胞如何协同合作,赋予人类种种高级技能,可详尽感知思维活动背后的前因后果。

 

此外,人们也从自然界鉴定了一些抑制性的视蛋白,包括现在广泛使用的Arch15和最近发现的Jaws。在信号读取方面,出现了新一代的钙离子感应器(比如GCaMP6和Twitch)和电压感应器(QuasAr家族)。

 

光遗传学技术有什么问题?

 

一些批评者认为,光遗传学激活子的标准用法存在瑕疵。首先,这样的刺激水平可能使神经元应答超出生理范围,而这一点又很难加以评估。在这种情况下,神经回路会出现不自然的变化,最后导致不正确的生理学结论。这个问题不仅限于激活子,抑制子也可能超出正常的作用范围。其次,光敏蛋白的表达和光照在神经元群体中并不均匀,结果是光遗传学操纵的量级和范围会出现异质性。另外,大范围光刺激同时作用在神经元群体上,可能使回路出现非生理性的活动模式。最后,传统光遗传学技术靶标特定遗传学背景的神经元群体,不能再选择性激活其中的亚群。现在,科学家们已经开始着手解决这些问题。

 

不管怎么样,生物技术真是日新月异,新的研究思路层出不穷,那么这么牛逼的技术大概会有哪些应用呢?

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未来展望

 

光遗传学技术是神经生物学研究的重要突破,利用该技术开展的基础研究,将对人类脑功能的认识产生深远的影响。如果病毒载体基因导入在人体被证实是安全的,光遗传学技术将来有可能被用于多种神经/精神疾病,如帕金森氏病、阿尔茨海默病、脊髓损伤、精神分裂症等的治疗。光遗传学技术还可以与其他神经生物学研究工具有机结合,如功能性磁共振造影(fMRI),提高研究结果的准确性。

 

lamin b1tel

 

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