光遺傳學

1、光遺傳學,1.光遺傳學的研究歷史2.光遺傳學的概念3.光遺傳學的研究內容4.光遺傳學的研究與進展,contents,,,記憶消除棒,在電影《黑衣人》中，特工處理完外星人出沒現場之后都會掏出一個發(fā)光棒，讓圍觀群眾“往這兒看”，然后強光一閃，圍觀者的短時記憶就被抹去，不再記得見過奇怪外星生物的經歷。真的有這樣的技術，能夠用光來控制大腦嗎？簡短的答案是，有。但是可能沒有電影里表現的那么簡單。,光真的可控大腦嗎？,電壓門控通道：電極刺

2、激 缺點：電極太粗糙，插入腦內給予電刺激會影響到插入處的許多神經元，而且電信號也很難精確地中止神經元的興奮化學門控通道：藥物刺激 缺點：藥物不夠專一，而且反應要比神經活動慢得多,1.光遺傳學的研究歷史,美國斯坦福科學家Karl Deisseroth,光遺傳學（optogenetics）技術將光學技術與遺傳學技術相結合，靈感來自視覺通路，最初主要用于神經科學研究。,2.光遺傳學的概念,Nature Meth

3、ods雜志評選出的2010年度研究方法——光遺傳學（optogenetics）。Nature Methods雜志在十周年之際推出了紀念特刊，點評了在過去十年中對生物學研究影響最深的十大技術，其中就包括光遺傳學技術。諾貝爾獎？,,1.光遺傳學工具2.光遺傳學工具導入機體途徑3.光傳導工具4.常用的模式動物,3.光遺傳學的研究內容,3.1光遺傳學工具,作為控制蛋白，用來調制活組織中靶細胞的專一活動：興奮 抑制,在光遺傳

4、學試驗中，研究人員能夠在感興趣的能調控電信號的靶細胞上表達來自視蛋白的光學門控離子通道（light-gatedionchannels）比如視紫紅質通道蛋白2（channelrhodopsin-2，ChR2）和嗜鹽菌紫質（halorhodopsin，NpHR）一類的視蛋白都已經成為了神經生物學實驗室中的常用蛋白?？茖W家可以分別利用藍光和紅光來激活（去極化）或抑制（超極化）一系列的經過遺傳改造的神經元細胞。,,ChR2是一種受光脈沖控制

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

6、種新的質子泵：來自蘇打鹽紅菌（Halorubrumsodomense，古細菌）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)的視蛋白具有三點明顯的優(yōu)勢，一是能形成更大的電流；二是能自我恢復；三是具有不同的顏色偏好性（Arch蛋白對黃色光敏感，Mac蛋白對藍色光敏感）。 新發(fā)現蛋白中的Mac蛋白在藍光中能關閉神經元，在黃光中則不能。在一種細胞

7、中表達Mac蛋白而在另一細胞中表達對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性地抑制相鄰的神經元細胞了。,1.基因重組技術,3.2光遺傳學工具導入機體途徑,2.病毒載體 主要應用為慢病毒,離體實驗：直接使用過濾光或發(fā)光二極管照射即可。（線蟲試驗、細胞試驗）體內實驗：體內實驗時主要使用激光，利用光導纖維，研究人員可以精確地將光導入動物體內，甚至是腦的任何部位來開展研究。（動物）,3.3 光傳導工具,光遺傳學技術目前

8、研究中比較常用的模式動物主要有秀麗隱桿線蟲、蠅、斑馬魚、小鼠、大鼠和靈長類動物。 這些動物普遍具有發(fā)育和繁殖周期短、外源基因整合較容易的特點，這樣有利于導入光敏蛋白基因并根據表達的狀態(tài)進行篩選。,3.4 模式動物,4.光遺傳學的研究與進展,利用光遺傳學技術，科學家們把光感蛋白表達在小鼠的多巴胺能神經元上，然后在小鼠執(zhí)行某項任務（比如走到籠子的一端的平臺上）時給予光刺激使多巴胺能神經元興奮，從而使小鼠產生愉悅感。實驗表明經過

9、訓練后的小鼠會一次次地去主動完成任務從而獲得愉悅感的獎勵。研究人員先將小鼠神經元改造得對光非常敏感，然后通過植入的光纖，用藍色光照亮位于大腦杏仁核區(qū)域的一個特定神經回路。杏仁核是大腦中應對恐懼、侵略等基本情緒的核心部位，也是嚙齒類動物控制焦慮的部分。結果顯示，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、者恢復喪失的運動功能。但通常這種行走僅能維持幾分鐘。這是因為粗神經纖維比細神經纖維對電刺激更敏感，因此肌肉以錯誤的順序發(fā)生收縮，即先發(fā)生快抽搐粗肌纖維收縮，然后才發(fā)生慢抽搐細肌纖維收縮，從而導致抽筋及快速的肌肉疲勞。Delp實驗室制成了一種“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物坐骨神經周圍。發(fā)光二極管發(fā)射高強度的藍光深入穿透到神經元里，所有的神經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)現光刺激使

11、肌纖維重新產生正常的放電，誘導發(fā)生了與自然條件下一致的肌肉收縮。,周圍神經損傷、癱瘓。。。,“光刺激20分鐘后，肌肉還保持了三分之一的最大應力，而電刺激僅在一小會后就恢復了平臺期，電刺激在4分鐘內使得相同的肌肉完全疲勞，”Llewellyn說：“此外，光刺激更易于啟動肌肉的收縮，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兩種肌肉類型?！?2010年，Bruegmann等的報道使利用光遺傳學技術開展心電生理研究

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，使光遺傳學技術為起搏心臟提供了一種新手段，即光起搏(optical pacing)。在近4年的時間里，光遺傳學技術在心電生理研究中的應用逐漸增多。 Abilez等將表達了ChＲ2的人胚胎干細胞誘導分化為心肌細胞，分別用膜片鉗微電極陣列(MEA)及計算機建模等技術，探討藍光刺激對心肌細胞電活動的影響，發(fā)現在全細胞電壓鉗制模式下，光照可引起迅速達到峰值并衰減至平臺期的光電流I

13、ChＲ2，電流大小與光照強度密切相關，而關閉光源電流消失 當給予頻率為0.5,1.0,1.5 Hz的藍光刺激，MEA可記錄到與光照頻率一致的心肌細胞場電位及相應的機械收縮。,心律失常。。。,將多種光敏感蛋白在整體心臟按需形成異質性地轉入，繼之以多重光源更精確地調控心臟，將實現心臟多個腔室或多個部位更具針對性的起搏模式，而具抑制特性的光敏感蛋白的精確調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)穿透性及可控性強的光照設備或光導