光遗传

光遗传学(optogenetics)是一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的技术,其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,如Cl-、Na+、H+、K+,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。2010年光遗传学被《Nature Methods》杂志评选为“最受关注科技成果技术”之一,这项技术可应用多种神经紊乱类疾病的治疗,如癫痫、帕金森症、慢性疼痛症、抑郁症、成瘾症等。

基本原理

光敏感蛋白根据功能分为激活神经元的光敏感蛋白、抑制神经元的光敏感蛋白和控制体内G蛋白偶联信号的光敏感蛋白。典型的用于激活神经元的光敏感通道蛋白为ChR2(channelrhodopsin),ChR2是一种离子通道蛋白,在蓝光(最大激发峰在470nm 波长附近)的激发下会诱导阳离子通道的打开,促使神经元的去极化,进而诱发动作电位,激活神经元。典型的抑制神经元活动的光敏感蛋白为NpHR(盐系菌视紫红质),该蛋白在黄绿光(最大激发峰在590nm 波长附近)的激发下会诱导氯离子通道的打开,氯离子内流造成神经元的超极化,从而抑制神经元动作电位的产生。除此之外,还有在苏打盐红菌里发现的Arch(古紫质),该蛋白在黄绿光(最大激发峰在566nm 波长附近)的激发下会诱导质子的外流,从而产生超极化信号,抑制神经元的活动。

优势

如何使用光遗传学病毒工具进行研究

Step1:寻找合适的光敏蛋白

光敏蛋白可分为激活型和抑制型两种,能够引起神经元兴奋或抑制。其光灵敏度和动力学之间存在负相关,激活或抑制能力强弱与时间的精准控制密切相关,所以,根据光敏感蛋白的不同特性寻找合适的光敏感蛋白是首要步骤。


Step2:向靶细胞内导入光敏蛋白基因

利用转染、病毒注射或转基因动物等方法将编码光敏感蛋白的基因输入到靶细胞中,其中,病毒注射是光遗传学研究的主导手段,主要采用慢病毒和腺相关病毒。


Step3:对光信号进行时空调控

可采用导入光纤或控制激光的方式将光导入研究区域,选择不同的参数(波长、光强度、频率和占空比)进行光刺激,来达到对神经元活动的时间调控;通过选择性地照射细胞局部的方法来实现对神经元活动的空间调控。


Step4:收集输出信号,读取结果

一般采用电极记录神经元细胞膜内外的电压变化,并可用荧光性生物传感器来检测不同细胞数值,通过电生理记录或行为学测试等方法,将光刺激对神经元、神经回路或动物行为的改变呈现出来。

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