光遗传学之父Science再发突破性成果

【字体: 时间:2014年04月28日 来源:生物通

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  光遗传学技术是在动物模型中深入理解生物系统的有力工具。但第一代光遗传学技术并不完美:兴奋性的光敏蛋白很有效,但抑制性视蛋白的效率很低。Deisseroth的研究团队经过多年努力,重新设计了一种抑制性的光敏蛋白,大大提高了抑制性开关的工作效率。这一成果于四月二十五日发表在Science杂志上。

  

生物通报道:2005年,斯坦福大学的科学家Karl Deisseroth开发了光遗传学技术,他在细菌视蛋白的帮助下用光控制了大脑细胞的开/关。自那以后,世界各地的研究者们用这一技术对多种受电信号调节的细胞进行了研究,例如神经细胞、心脏细胞、干细胞等等。这里的电信号是指离子的跨膜流动。

光遗传学技术是在动物模型中深入理解生物系统的有力工具。但第一代光遗传学技术并不完美:兴奋性的光敏蛋白很有效,但抑制性视蛋白的效率很低。

现在,Deisseroth的研究团队经过多年努力,重新设计了一种抑制性的光敏蛋白,大大提高了抑制性开关的工作效率。这一成果于四月二十五日发表在Science杂志上,将帮助研究者们更好的理解与行为、思维、情绪有关的大脑回路。

光遗传学技术允许科学家们将发射激光的光纤插入动物大脑,这种激光脉冲会使视蛋白传输兴奋性的阳离子流或者抑制性的阴离子流,进而高度精确的控制细胞行为。(相关文章:Science:走向临床的光遗传学

随着光遗传学技术的广泛使用,人们慢慢发现刺激性电信号比抑制性电信号有效得多。为此,文章的资深作者Deisseroth教授对只传送阳离子的兴奋性视蛋白行了深入研究,解析了它们的作用机制,希望在此基础上开发新的抑制性开关。

从理论上看,兴奋性视蛋白的作用机制很简单。光脉冲会使视蛋白打开细胞膜上的通道,随后阳离子流入细胞。2008Deisseroth及其同事构建了改良版的兴奋性视蛋白,称为step-function视蛋白。只需要一个光脉冲,就可以打开这种蛋白并使通道保持开启状态。此时,阳离子能够持续流入,即使关掉光脉冲细胞也可以保持兴奋状态。而且持续性的离子流也让细胞对光刺激更为敏感。这些特性允许人们简单激活动物大脑深处的神经元,不需要穿透组织的光纤。

与此相反的是,抑制性视蛋白并不是通道而是“泵”,进来一个光子就跨膜移动一个离子。这样的作用机制效率非常低,而且人们也无法让抑制性视蛋白持续开启,因此需要更多的光脉冲来进行实验。这些抑制性的蛋白泵,与大脑细胞的正常抑制机制不同。大脑的正常抑制机制是使神经元变得更通透,对兴奋性电流更有抗性。以上因素决定了,视蛋白泵无法成为有效的抑制开关。

2012年,Deisseroth的研究团队在Nature上发表文章,完成了他们改善光遗传学抑制的第一步。研究人员揭示了兴奋性开关的具体结构,发现其通道内壁的氨基酸会形成负电荷,吸引阳离子流入。他们在此基础上找到了构建抑制性通道的新策略:对兴奋性视蛋白进行改造,使其内壁充满正电荷氨基酸,吸引阴离子流入细胞。研究人员完成了这一改造用了两年时间。

兴奋性视蛋白大约由三百个氨基酸组成,研究人员先改变了其中的九个。在光脉冲的刺激下,这种新蛋白会打开内壁充满正电荷的通道,吸引大量阴离子进入,从而有效抑制细胞活性。随后,研究人员改变了第十个氨基酸,使这种阴离子通道保持开启状态。这种抑制性视蛋白通道的光敏性很强,一个蓝色光脉冲就使神经元关闭了好几分钟。此外,这一过程还能够被红光逆转。

Deisseroth将这种新型视蛋白称为SwiChR,他认为该蛋白的长效作用和稳定应答,将为光遗传学带来新的机遇。

这种新型视蛋白的优势在于:能够更有效的抑制神经元活性,对光刺激更为敏感,还能够长时间保持开启。“这些性质对于动物行为研究来说特别有用,甚至有望用于治疗一些疾病,例如重症癫痫等,”瑞典Lund大学的Merab Kokaia教授评论道,“光遗传学的新工具将帮助我们更好的理解大脑的作用机制。”

 

生物通编辑:叶予

生物通推荐原文:

Charu Ramakrishnan, a research assistant in the Deisseroth lab, also was a co-author of the paper.

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