Nature年度技术:光遗传学技术

【字体: 时间:2010年12月24日 来源:生物通

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  时近岁末,各大杂志接连进行了年终盘点,昨天出版的《Nature》杂志也对2010年进行了回顾: 2010 Review of the Year,评点了2010年的科技进展,科技政策以及重要人物。其中《Nature Methods》也盘点了年度技术,选出了2010年最受关注的技术成果:光遗传学(optogenetic)工具。

  

生物通报道:时近岁末,各大杂志接连进行了年终盘点,昨天出版的《Nature》杂志也对2010年进行了回顾: 2010 Review of the Year,评点了2010年的科技进展,科技政策以及重要人物。其中《Nature Methods》也盘点了年度技术,选出了2010年最受关注的技术成果:光遗传学(optogenetic)工具。

方法技术从来都是科学进步的推动力,在生命科学领域更是如此,去年《Nature Methods》将这一殊荣颁给了iPS技术,原因是专家们认为iPS技术给生命科学领域带来的影响是十分深远的。而今年《Nature Methods》将年度技术颁给了光遗传学技术,理由是认为这一技术工具在神经科学,以及细胞生物学信号通路研究方面具有革命性的促进作用。

光遗传学是由斯坦福大学的研究人员开始用于研究小鼠大脑的,他们将这项技术称之为Optogenetics(optical stimulation plus genetic engineering 光刺激基因工程/光遗传学),这个技术的关键是:科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因,这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应,还能通过自生特性感染类似的细胞。

2009年,研究人员就利用这种光控技术选择并打开了某种生物的一类细胞。这也帮助科学家解答一个长期存在的难题,即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。他们在清醒的斑马鱼幼虫的这些细胞中靶向插入光敏开关,结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为—幼虫典型的周期性摆尾。

使用这些光遗传学(optogenetic)工具,能够激活清醒哺乳动物的单一神经元,并直接演示神经元激活表现出的行为结果。该光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。

研究人员介绍说,该研究使用的新技术可以推广到所有类型的神经细胞,比如大脑的嗅觉,视觉,触觉,听觉细胞等。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域,可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。

在光遗传学试验中,研究人员能够在感兴趣的能调控电信号的靶细胞上表达来自视蛋白的光学门控离子通道(light-gated ion channels),比如视紫红质通道蛋白2(channelrhodopsin-2,ChR2)和嗜盐菌紫质(halorhodopsin)一类的视蛋白都已经成为了神经生物学实验室中的常用蛋白。科学家可以分别利用蓝光和红光来激活(去极化)或抑制(超极化)一系列的经过遗传改造的神经元细胞。但是和其它任何一种生物研究工具一样,这些视蛋白也不是十全十美,因此科学家又开始寻找新一代的光遗传学工具。

今年光遗传学技术也发展了一些新工具,研究人员希望能够通过这些新方法研究神经元细胞相互之间是如何形成功能的,以及通过控制着神经元细胞内部或者之间电信号的开关,达到神经修复的作用。

比如来自德国柏林洪堡大学的研究人员构建了一个新型的ChR2蛋白——ChETA,这种蛋白最引人注目的特点之一就是它能以40 Hz的频率(又名γ振荡)刺激神经元细胞,这是ChR2蛋白做不到的。研究人员发现,高频振荡对于大脑功能来说可能更为重要,ChETA蛋白来的正是时候。他们在快速放电大脑皮质小白蛋白中间神经元细胞(fast-spiking cortical parvalbumin interneurons)上表达ChETA蛋白,结果发现ChETA蛋白能够增强细胞对广泛频率范围2毫秒光波刺激信号的反应性。

这种新工具可能会促进神经药物治疗领域的发展,如果将这个概念延展到酶学领域,那么是否能够通过光线控制基因表达呢?如果真是这样,那么就能将光遗传学技术拓展到细胞生物学或者细胞发育等研究领域了。

使用这些光遗传学工具,能够激活清醒哺乳动物的单一神经元,并直接演示神经元激活表现出的行为结果。光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。光遗传学研究使用的新技术可以推广到所有类型的神经细胞,比如大脑的嗅觉,视觉,触觉,听觉细胞等。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域,可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。在未来几年里光遗传学工具的发展还将继续下去,而这些工具也必将被应用到更为广阔的领域。

(生物通:万纹)

原文摘要:

Method of the Year 2010

Nature Methods' choice of Method of the Year 2010 is optogenetics for its capacity to control cell function with light. A series of articles and a video describe how optogenetics has revolutionized the way experiments are conducted in neuroscience and showcase the potential the method has for the study of many signaling pathways in cell biology. The special feature also discusses how technological development will be needed to expand the possibilities of optogenetics. Brief Methods to Watch provide a glimpse of future Method of the Year candidates.

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