光遺傳學(xué)

1、光遺傳學(xué),1.光遺傳學(xué)的研究歷史2.光遺傳學(xué)的概念3.光遺傳學(xué)的研究?jī)?nèi)容4.光遺傳學(xué)的研究與進(jìn)展,contents,,,記憶消除棒,在電影《黑衣人》中，特工處理完外星人出沒現(xiàn)場(chǎng)之后都會(huì)掏出一個(gè)發(fā)光棒，讓圍觀群眾“往這兒看”，然后強(qiáng)光一閃，圍觀者的短時(shí)記憶就被抹去，不再記得見過奇怪外星生物的經(jīng)歷。真的有這樣的技術(shù)，能夠用光來控制大腦嗎？簡(jiǎn)短的答案是，有。但是可能沒有電影里表現(xiàn)的那么簡(jiǎn)單。,光真的可控大腦嗎？,電壓門控通道：電極刺

2、激 缺點(diǎn)：電極太粗糙，插入腦內(nèi)給予電刺激會(huì)影響到插入處的許多神經(jīng)元，而且電信號(hào)也很難精確地中止神經(jīng)元的興奮化學(xué)門控通道：藥物刺激 缺點(diǎn)：藥物不夠?qū)Ｒ?，而且反?yīng)要比神經(jīng)活動(dòng)慢得多,1.光遺傳學(xué)的研究歷史,美國(guó)斯坦?？茖W(xué)家Karl Deisseroth,光遺傳學(xué)（optogenetics）技術(shù)將光學(xué)技術(shù)與遺傳學(xué)技術(shù)相結(jié)合，靈感來自視覺通路，最初主要用于神經(jīng)科學(xué)研究。,2.光遺傳學(xué)的概念,Nature Meth

3、ods雜志評(píng)選出的2010年度研究方法——光遺傳學(xué)（optogenetics）。Nature Methods雜志在十周年之際推出了紀(jì)念特刊，點(diǎn)評(píng)了在過去十年中對(duì)生物學(xué)研究影響最深的十大技術(shù)，其中就包括光遺傳學(xué)技術(shù)。諾貝爾獎(jiǎng)？,,1.光遺傳學(xué)工具2.光遺傳學(xué)工具導(dǎo)入機(jī)體途徑3.光傳導(dǎo)工具4.常用的模式動(dòng)物,3.光遺傳學(xué)的研究?jī)?nèi)容,3.1光遺傳學(xué)工具,作為控制蛋白，用來調(diào)制活組織中靶細(xì)胞的專一活動(dòng)：興奮 抑制,在光遺傳

4、學(xué)試驗(yàn)中，研究人員能夠在感興趣的能調(diào)控電信號(hào)的靶細(xì)胞上表達(dá)來自視蛋白的光學(xué)門控離子通道（light-gatedionchannels）比如視紫紅質(zhì)通道蛋白2（channelrhodopsin-2，ChR2）和嗜鹽菌紫質(zhì)（halorhodopsin，NpHR）一類的視蛋白都已經(jīng)成為了神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的常用蛋白?？茖W(xué)家可以分別利用藍(lán)光和紅光來激活（去極化）或抑制（超極化）一系列的經(jīng)過遺傳改造的神經(jīng)元細(xì)胞。,,ChR2是一種受光脈沖控制

5、的具有7次跨膜結(jié)構(gòu)的非選擇性陽(yáng)離子通道蛋白，可以快速形成光電流，使細(xì)胞發(fā)生去極化反應(yīng)。,Channelrhodopsin (Kato et al., 2012),,NpHR是一種受光脈沖控制的具有7次跨膜結(jié)構(gòu)的選擇性陰離子通道蛋白，可以快速形成光電流，使細(xì)胞發(fā)生超極化反應(yīng)。,Halorhodopsin (Kouyama etal., 2010),但是這些視蛋白也不是十全十美，因此科學(xué)家又開始尋找新一代的光遺傳學(xué)工具。研究人員注意到了這兩

6、種新的質(zhì)子泵：來自蘇打鹽紅菌（Halorubrumsodomense，古細(xì)菌）的Arch蛋白來自油菜黑脛病真菌（Leptosphaeriamaculans）的Mac蛋白 這兩種分子相比傳統(tǒng)的視蛋白具有三點(diǎn)明顯的優(yōu)勢(shì)，一是能形成更大的電流；二是能自我恢復(fù)；三是具有不同的顏色偏好性（Arch蛋白對(duì)黃色光敏感，Mac蛋白對(duì)藍(lán)色光敏感）。 新發(fā)現(xiàn)蛋白中的Mac蛋白在藍(lán)光中能關(guān)閉神經(jīng)元，在黃光中則不能。在一種細(xì)胞

7、中表達(dá)Mac蛋白而在另一細(xì)胞中表達(dá)對(duì)黃光敏感的抑制蛋白，這樣就能利用不同顏色的光線來針對(duì)性地抑制相鄰的神經(jīng)元細(xì)胞了。,1.基因重組技術(shù),3.2光遺傳學(xué)工具導(dǎo)入機(jī)體途徑,2.病毒載體 主要應(yīng)用為慢病毒,離體實(shí)驗(yàn)：直接使用過濾光或發(fā)光二極管照射即可。（線蟲試驗(yàn)、細(xì)胞試驗(yàn)）體內(nèi)實(shí)驗(yàn)：體內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)主要使用激光，利用光導(dǎo)纖維，研究人員可以精確地將光導(dǎo)入動(dòng)物體內(nèi)，甚至是腦的任何部位來開展研究。（動(dòng)物）,3.3 光傳導(dǎo)工具,光遺傳學(xué)技術(shù)目前

8、研究中比較常用的模式動(dòng)物主要有秀麗隱桿線蟲、蠅、斑馬魚、小鼠、大鼠和靈長(zhǎng)類動(dòng)物。 這些動(dòng)物普遍具有發(fā)育和繁殖周期短、外源基因整合較容易的特點(diǎn)，這樣有利于導(dǎo)入光敏蛋白基因并根據(jù)表達(dá)的狀態(tài)進(jìn)行篩選。,3.4 模式動(dòng)物,4.光遺傳學(xué)的研究與進(jìn)展,利用光遺傳學(xué)技術(shù)，科學(xué)家們把光感蛋白表達(dá)在小鼠的多巴胺能神經(jīng)元上，然后在小鼠執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)（比如走到籠子的一端的平臺(tái)上）時(shí)給予光刺激使多巴胺能神經(jīng)元興奮，從而使小鼠產(chǎn)生愉悅感。實(shí)驗(yàn)表明經(jīng)過

9、訓(xùn)練后的小鼠會(huì)一次次地去主動(dòng)完成任務(wù)從而獲得愉悅感的獎(jiǎng)勵(lì)。研究人員先將小鼠神經(jīng)元改造得對(duì)光非常敏感，然后通過植入的光纖，用藍(lán)色光照亮位于大腦杏仁核區(qū)域的一個(gè)特定神經(jīng)回路。杏仁核是大腦中應(yīng)對(duì)恐懼、侵略等基本情緒的核心部位，也是嚙齒類動(dòng)物控制焦慮的部分。結(jié)果顯示，這些本來因恐懼而退縮到角落的小鼠開始勇敢地探索周圍的環(huán)境。,戒癮，抗抑郁，抗焦慮。。。,過去研究人員曾嘗試在癱瘓病人的神經(jīng)元周圍植入電極，利用程序控制激活電極中的電脈沖，從而使患

10、者恢復(fù)喪失的運(yùn)動(dòng)功能。但通常這種行走僅能維持幾分鐘。這是因?yàn)榇稚窠?jīng)纖維比細(xì)神經(jīng)纖維對(duì)電刺激更敏感，因此肌肉以錯(cuò)誤的順序發(fā)生收縮，即先發(fā)生快抽搐粗肌纖維收縮，然后才發(fā)生慢抽搐細(xì)肌纖維收縮，從而導(dǎo)致抽筋及快速的肌肉疲勞。Delp實(shí)驗(yàn)室制成了一種“光電極”，是由極小的發(fā)光二極管組成，能將其放置在生物工程動(dòng)物坐骨神經(jīng)周圍。發(fā)光二極管發(fā)射高強(qiáng)度的藍(lán)光深入穿透到神經(jīng)元里，所有的神經(jīng)纖維均可接收到來自發(fā)光二極管短脈沖的充分刺激。研究人員發(fā)現(xiàn)光刺激使

11、肌纖維重新產(chǎn)生正常的放電，誘導(dǎo)發(fā)生了與自然條件下一致的肌肉收縮。,周圍神經(jīng)損傷、癱瘓。。。,“光刺激20分鐘后，肌肉還保持了三分之一的最大應(yīng)力，而電刺激僅在一小會(huì)后就恢復(fù)了平臺(tái)期，電刺激在4分鐘內(nèi)使得相同的肌肉完全疲勞，”Llewellyn說：“此外，光刺激更易于啟動(dòng)肌肉的收縮，且主要是作用于慢抽搐肌纖維，而不是快抽搐肌纖維。而電刺激則可相等地誘導(dǎo)兩種肌肉類型?！?2010年，Bruegmann等的報(bào)道使利用光遺傳學(xué)技術(shù)開展心電生理研究

12、心律失常防治甚至模擬心臟再同步化(CＲT)改善心功能成為可能，使光遺傳學(xué)技術(shù)為起搏心臟提供了一種新手段，即光起搏(optical pacing)。在近4年的時(shí)間里，光遺傳學(xué)技術(shù)在心電生理研究中的應(yīng)用逐漸增多。 Abilez等將表達(dá)了ChＲ2的人胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)分化為心肌細(xì)胞，分別用膜片鉗微電極陣列(MEA)及計(jì)算機(jī)建模等技術(shù)，探討藍(lán)光刺激對(duì)心肌細(xì)胞電活動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)在全細(xì)胞電壓鉗制模式下，光照可引起迅速達(dá)到峰值并衰減至平臺(tái)期的光電流I

13、ChＲ2，電流大小與光照強(qiáng)度密切相關(guān)，而關(guān)閉光源電流消失 當(dāng)給予頻率為0.5,1.0,1.5 Hz的藍(lán)光刺激，MEA可記錄到與光照頻率一致的心肌細(xì)胞場(chǎng)電位及相應(yīng)的機(jī)械收縮。,心律失常。。。,將多種光敏感蛋白在整體心臟按需形成異質(zhì)性地轉(zhuǎn)入，繼之以多重光源更精確地調(diào)控心臟，將實(shí)現(xiàn)心臟多個(gè)腔室或多個(gè)部位更具針對(duì)性的起搏模式，而具抑制特性的光敏感蛋白的精確調(diào)控亦可能成為快速性心律失常的一種治療手段 安全低創(chuàng)或無創(chuàng)穿透性及可控性強(qiáng)的光照設(shè)備或光導(dǎo)