光遗传学课件.ppt

光遗传学 1 2020 3 21 1 光遗传学的研究历史2 光遗传学的概念3 光遗传学的研究内容4 光遗传学的研究与进展 contents 2 2020 3 21 记忆消除棒 3 2020 3 21 在电影 黑衣人 中 特工处理完外星人出没现场之后都会掏出一个发光棒 让围观群众 往这儿看 然后强光一闪 围观者的短时记忆就被抹去 不再记得见过奇怪外星生物的经历 真的有这样的技术 能够用光来控制大脑吗 简短的答案是 有 但是可能没有电影里表现的那么简单 光真的可控大脑吗 4 2020 3 21 电压门控通道 电极刺激缺点 电极太粗糙 插入脑内给予电刺激会影响到插入处的许多神经元 而且电信号也很难精确地中止神经元的兴奋化学门控通道 药物刺激缺点 药物不够专一 而且反应要比神经活动慢得多 1 光遗传学的研究历史 5 2020 3 21 美国斯坦福科学家KarlDeisseroth 光遗传学 optogenetics 技术将光学技术与遗传学技术相结合 灵感来自视觉通路 最初主要用于神经科学研究 2 光遗传学的概念 6 2020 3 21 NatureMethods杂志评选出的2010年度研究方法 光遗传学 optogenetics NatureMethods杂志在十周年之际推出了纪念特刊 点评了在过去十年中对生物学研究影响最深的十大技术 其中就包括光遗传学技术 诺贝尔奖 7 2020 3 21 1 光遗传学工具2 光遗传学工具导入机体途径3 光传导工具4 常用的模式动物 3 光遗传学的研究内容 8 2020 3 21 3 1光遗传学工具 作为控制蛋白 用来调制活组织中靶细胞的专一活动 兴奋抑制 9 2020 3 21 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 gatedionchannels 比如视紫红质通道蛋白2 channelrhodopsin 2 ChR2 和嗜盐菌紫质 halorhodopsin NpHR 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 10 2020 3 21 ChR2是一种受光脉冲控制的具有7次跨膜结构的非选择性阳离子通道蛋白 可以快速形成光电流 使细胞发生去极化反应 Channelrhodopsin Katoetal 2012 11 2020 3 21 NpHR是一种受光脉冲控制的具有7次跨膜结构的选择性阴离子通道蛋白 可以快速形成光电流 使细胞发生超极化反应 Halorhodopsin Kouyamaetal 2010 12 2020 3 21 13 2020 3 21 但是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 研究人员注意到了这两种新的质子泵 来自苏打盐红菌 Halorubrumsodomense 古细菌 的Arch蛋白来自油菜黑胫病真菌 Leptosphaeriamaculans 的Mac蛋白这两种分子相比传统的视蛋白具有三点明显的优势 一是能形成更大的电流 二是能自我恢复 三是具有不同的颜色偏好性 Arch蛋白对黄色光敏感 Mac蛋白对蓝色光敏感 新发现蛋白中的Mac蛋白在蓝光中能关闭神经元 在黄光中则不能 在一种细胞中表达Mac蛋白而在另一细胞中表达对黄光敏感的抑制蛋白 这样就能利用不同颜色的光线来针对性地抑制相邻的神经元细胞了 14 2020 3 21 1 基因重组技术 3 2光遗传学工具导入机体途径 2 病毒载体主要应用为慢病毒 15 2020 3 21 离体实验 直接使用过滤光或发光二极管照射即可 线虫试验 细胞试验 体内实验 体内实验时主要使用激光 利用光导纤维 研究人员可以精确地将光导入动物体内 甚至是脑的任何部位来开展研究 动物 3 3光传导工具 16 2020 3 21 光遗传学技术目前研究中比较常用的模式动物主要有秀丽隐杆线虫 蝇 斑马鱼 小鼠 大鼠和灵长类动物 这些动物普遍具有发育和繁殖周期短 外源基因整合较容易的特点 这样有利于导入光敏蛋白基因并根据表达的状态进行筛选 3 4模式动物 17 2020 3 21 4 光遗传学的研究与进展 18 2020 3 21 利用光遗传学技术 科学家们把光感蛋白表达在小鼠的多巴胺能神经元上 然后在小鼠执行某项任务 比如走到笼子的一端的平台上 时给予光刺激使多巴胺能神经元兴奋 从而使小鼠产生愉悦感 实验表明经过训练后的小鼠会一次次地去主动完成任务从而获得愉悦感的奖励 研究人员先将小鼠神经元改造得对光非常敏感 然后通过植入的光纤 用蓝色光照亮位于大脑杏仁核区域的一个特定神经回路 杏仁核是大脑中应对恐惧 侵略等基本情绪的核心部位 也是啮齿类动物控制焦虑的部分 结果显示 这些本来因恐惧而退缩到角落的小鼠开始勇敢地探索周围的环境 戒瘾 抗抑郁 抗焦虑 19 2020 3 21 过去研究人员曾尝试在瘫痪病人的神经元周围植入电极 利用程序控制激活电极中的电脉冲 从而使患者恢复丧失的运动功能 但通常这种行走仅能维持几分钟 这是因为粗神经纤维比细神经纤维对电刺激更敏感 因此肌肉以错误的顺序发生收缩 即先发生快抽搐粗肌纤维收缩 然后才发生慢抽搐细肌纤维收缩 从而导致抽筋及快速的肌肉疲劳 Delp实验室制成了一种 光电极 是由极小的发光二极管组成 能将其放置在生物工程动物坐骨神经周围 发光二极管发射高强度的蓝光深入穿透到神经元里 所有的神经纤维均可接收到来自发光二极管短脉冲的充分刺激 研究人员发现光刺激使肌纤维重新产生正常的放电 诱导发生了与自然条件下一致的肌肉收缩 周围神经损伤 瘫痪 光刺激20分钟后 肌肉还保持了三分之一的最大应力 而电刺激仅在一小会后就恢复了平台期 电刺激在4分钟内使得相同的肌肉完全疲劳 Llewellyn说 此外 光刺激更易于启动肌肉的收缩 且主要是作用于慢抽搐肌纤维 而不是快抽搐肌纤维 而电刺激则可相等地诱导两种肌肉类型 20 2020 3 21 2010年 Bruegmann等的报道使利用光遗传学技术开展心电生理研究心律失常防治甚至模拟心脏再同步化 C T 改善心功能成为可能 使光遗传学技术为起搏心脏提供了一种新手段 即光起搏 opticalpacing 在近4年的时间里 光遗传学技术在心电生理研究中的应用逐渐增多 Abilez等将表达了Ch 2的人胚胎干细胞诱导分化为心肌细胞 分别用膜片钳微电极阵列 MEA 及计算机建模等技术 探讨蓝光刺激对心肌细胞电活动的影响 发现在全细胞电压钳制模式下 光照可引起迅速达到峰值并衰减至平台期的光电流ICh 2 电流大小与光照强度密切相关 而关闭光源电流消失当给予频率为0 5 1 0 1 5Hz的蓝光刺激 MEA可记录到与光照频率一致的心肌细胞场电位及相应的机械收缩 心律失常 21 2020 3 21 将多种光敏感蛋白在整体心脏按需形成异质性地转入 继之以多重光源更精确地调控心脏 将实现心脏多个腔室或多个部位更具针对性的起搏模式 而具抑制特性的光敏感蛋白的精确调控亦可能成为快速性心律失常的一种治疗手段安全低创或无创穿透性及可控性强的光照设备或光导纤维的研发 将为低照射剂量精准调控提供适宜的光起搏设备 将光遗传学技术光起搏应用于临床还有许多问题需要解决 如心脏能否长期安全有效地表达光敏感蛋白 外源性光照能否安全有效启动光敏感蛋白等 将光敏