光遗传学突破：用光控制大脑信号通路

用蓝光打开，用黄光关闭：利用不同颜色的光，德国波鸿鲁尔大学（RUB）的研究人员能够打开或关闭大脑中的信号通路。这项研究结果发表在最近的Cell子刊《Current Biology》。

　　

生物通报道：用蓝光打开，用黄光关闭：利用不同颜色的光，德国波鸿鲁尔大学（RUB）的研究人员能够打开或关闭大脑中的信号通路。

研究人员利用来自眼睛神经细胞的光敏蛋白质——所谓的黑素蛋白，以很高的时间精度，打开了大脑细胞中的特定信号通路。根据研究人员使用了什么类型的视黑素蛋白，信号通路可被短暂或持续地开启。在哺乳动物中，这个蛋白质通常调节着昼夜节律。

鲁尔大学普通动物学和神经生物学系的Katharina Spoida博士、Dennis Eickelbeck、Stefan Herlitze教授和Olivia Masseck博士，与波鸿的其他同事以及奥斯纳布吕克大学的研究人员，将这项研究结果发表在最近的Cell子刊《Current Biology》。

对比：小鼠和人类的黑素蛋白
研究人员描述称，小鼠和人类的黑素蛋白对光线刺激的反应不同。短的蓝色光脉冲可永久激活小鼠的黑素蛋白，但是只能暂时地激活人类的黑素蛋白。这两种蛋白质都可以用黄光关闭。

Dennis Eickelbeck说：“这些光敏蛋白质是开发光遗传学工具的理论基础。”在光遗传学中，研究人员利用遗传操纵，把光敏蛋白结合到其他蛋白质上，从而生成可以被光控制的受体。

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解码G蛋白信号通路
接下来，RUB的研究人员希望开发可被光激活的G蛋白结合受体。这些受体控制着体内的许多功能。在细胞中哪些信号通路被打开，是由一个G蛋白是被短暂激活还是持续激活而决定的。G蛋白的时间激活模式的变化，可能会导致严重的疾病，例如肥胖和心血管疾病。

关于这个复杂的5 -羟色胺系统的见解
通过使用光遗传学方法控制所选择的单个信号通路，可以确定它们在健康有机体中所扮演的角色。研究人员还可以找出，哪些信号通路影响着某些疾病的发生。

这项研究的负责人Katharina Spoida指出：“在后续研究中，我们打算把各种各样的黑素蛋白结合到5 -羟色胺受体上，并更详细地分析由G蛋白信号的时间序列扰乱而引发的疾病。”

光遗传学这个新兴的研究领域，正快速发展。今年2月份，英国牛津大学的一组研究人员，首次在哺乳动物中引起了联想记忆的外部解码。研究人员在《Nature Neuroscience》杂志上发表的研究中，描述了他们是如何在测试小鼠中引起联想记忆形成，以及他们用来记录它的技术，使记忆被删除。用光遗传学修改小鼠的记忆

最近，美国塔夫斯大学的生物学家，利用一种蛙模型首次证明，他们能够用光来控制细胞间的电子信号，从而防止肿瘤的形成和并使肿瘤正常化。相关研究结果发表在2016年3月16日的《Oncotarget》杂志。光遗传学首次用于控制肿瘤发生

MIT的神经科学家在3月16日的《自然》（Nature）杂志上报告称，处于阿尔茨海默氏症早期的小鼠能够像正常小鼠那样形成新记忆，但在数天后便无法记起它们。此外，研究人员能够利用光遗传学（optogenetics）人为地刺激这些记忆，表明只需一点帮助仍然可以找回这些记忆。诺奖得主Nature光遗传学重大成果：找回“丢失”的记忆

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Melanopsin Variants as Intrinsic Optogenetic On and Off Switches for Transient versus Sustained Activation of G Protein Pathways
Summary: G-protein-coupled receptors (GPCRs) represent the major protein family for cellular modulation in mammals. Therefore, various strategies have been developed to analyze the function of GPCRs involving pharmaco- and optogenetic approaches [ 1, 2 ]. However, a tool that combines precise control of the activation and deactivation of GPCR pathways and/or neuronal firing with limited phototoxicity is still missing. We compared the biophysical properties and optogenetic application of a human and a mouse melanopsin variant (hOpn4L and mOpn4L) on the control of Gi/o and Gq pathways in heterologous expression systems and mouse brain. We found that GPCR pathways can be switched on/off by blue/yellow light. The proteins differ in their kinetics and wavelength dependence to activate and deactivate G protein pathways. Whereas mOpn4L is maximally activated by very short light pulses, leading to sustained G protein activation, G protein responses of hOpn4L need longer light pulses to be activated and decline in amplitude. Based on the different biophysical properties, brief light activation of mOpn4L is sufficient to induce sustained neuronal firing in cerebellar Purkinje cells (PC), whereas brief light activation of hOpn4L induces AP firing, which declines in frequency over time. Most importantly, mOpn4L-induced sustained firing can be switched off by yellow light. Based on the biophysical properties, hOpn4L and mOpn4L represent the first GPCR optogenetic tools, which can be used to switch GPCR pathways/neuronal firing on an off with temporal precision and limited phototoxicity. We suggest to name these tools moMo and huMo for future optogenetic applications.