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光遗传/化学遗传工具

光遗传学(optogenetics)是一门结合了光学(optics)及遗传学(genetics)的跨学科技术,其最大的特点是能在活体动物甚至是自由运动的动物脑内,实时精准地控制特定类型神经元的活动。光遗传学在时间上的精确度可达到毫秒级别,在空间上的精确度则能达到单个细胞级别。2010年,光遗传学被Nature Methods选为年度方法,同年被Science认为是近十年来的突破之一。这项技术目前在神经科学领域应用非常广泛,未来可能会应用于多种神经和精神疾病的治疗,如帕金森氏病、阿尔茨海默病、脊髓损伤、精神分裂症等。

化学遗传学:通过人工改造大分子(蛋白、核酸等)的结构,使之能特异性的对某种合成的小分子化合物形成应答。化学遗传学和光遗传学类似,具有实时、精确、可逆调控的特点,目前广泛应用于信号转导研究、药物筛选等方面。目前应用最广泛的是一种称为DREADDs (designer receptors exclusively activated by designer drugs,只由特定药物激活的受体)的化学遗传学系统。这一系统主要由叠氮平-N-氧化物(clozapine-N-oxide,CNO)结合GPCR级联反应中不同的效应蛋白,如Gq、Gi、Gs、Golf和其中应用最广泛的是Gq-DREADD和Gi-DREADD。

目前Gq-DREADD系统应用最多元件主要是hM3Dq蛋白,该蛋白改造自人毒蕈碱型乙酰胆碱受体(the human muscarinicacetylcholine receptor,mAchRs)亚型M3(也称为hM3)。改造后的蛋白能特异性结合CNO,然后和Gq类G蛋白耦合受体耦合, 引起GPCR级联反应,最终影响了胞内钙离子这一信号通路。在神经元内一半会引起细胞去极化,加强神经元的兴奋性,这也是hM3Dq最常用的功能,即促使神经元的放电活动。同样的,研究者改造了mAchRs亚型M4,形成Gi-hM4Di。因为Gi耦合的GPCRs可以激活G蛋白内向整流钾通道(内向整流钾离子通道,GIRK),所以hM4Di起到抑制神经元的作用。

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