光遗传学原理及运用

光遗传学的定义和基本原理 光遗传学的基本操作 光遗传学的发展和研究内容 光遗传学的应用及实例 目录 光遗传学：一项注定要获得诺贝尔奖的技术 大脑装上光控开关假想图 用于光与大脑研究的小鼠 光遗传 学 遗传学 光学 光遗传学的定义和基本原理 一、将光敏感的分子或光敏感的离子通道转移到神经细胞里面； 二、用光来照射这个神经细胞使神经细胞被激活或抑制。 光遗传学的定义和基本原理 光敏蛋白表达 光敏蛋白被光激活 视网膜中的光感受器细胞和视紫红质 光遗传学的定义和基本原理 视蛋白：实现 光开关的关键 部分，它充当 着离子通道或 离子泵的角色 盐视紫红质(NpHR) 氯离子泵，氯离子 内流，引起超极化 通道视紫红质(ChR) 阳离子内流，引起 去极化 型视蛋白(optoXR) 必须偶联到一种转导蛋白 上才能实现对光反应。一 般用来调控信号通路。哺 乳动物视网膜上的视紫红 质就是此类蛋白。 细菌视紫红质(BR) 质子泵，质子外流 ，引起超极化 光 敏 蛋 白 例 子 光 敏 蛋 白 工 作 原 理 动 图 光遗传学的基本操作 光遗传学 光源（激光/LED ） 光纤、跳线等 病毒表达或转 基因 遗传操作 光学控制操作 操作步骤 病毒表达 病毒注射病毒注射 promoter opsin 质粒质粒 AA V病毒病毒 病毒表达病毒表达 pAAV-hSyn-Con/Fon hChR2(H134R)- EYFP-WPRE pAAV-hSyn-eNpHR 3.0-EYFP pAAV-CaMKIIa-eNpHR3.0-EYFP pAAV-CamKII-hChR2 (T159C)-p2A- EYFP-WPRE pAAV-hThy1-eArch 3.0-EYFP pAAV-Ef1a-DIO hChR2(H134R)- EYFP-WPRE pAAV-Ef1a-DIO eArch 3.0-EYFP Promoter： 广谱广谱: Syn，Thy1 特异特异：CamK II, ChAT, GFAP, c-Fos Cre/loxp系统系统：DIO+cre transgenic mice 转基因 Thy1-ChR2-eYFP ai27,ai32,ai35,ai39 Loxp-ChR2-mCherry Loxp-ChR2-eYFP Loxp-Arch-eYFP Loxp-NpHR-eYFP Ai39+PV-cre 光学操作 Laser LED 插 芯 套 管 光源控制器 Walther Stoeckenius 发现细菌视紫 红蛋白 Karl Deisseroth 微生物视蛋白 用于光操控 Karl Deisseroth 光操控用于哺 乳动物 光遗传学技术 的应用得到飞 速发展 FDA已批准光 遗传学治疗失 明的临床试验 1971 2005 2007 2015 光遗传学的发展 2010 光遗传学的发展 图为2005年光遗传学第一次出现开始至今相关的论文数量（来自 Nature Neuroscience，2015，18:1213-1225） 研究和改 造各种视 蛋白 研究神经 回路和功 能 研究心脏 细胞干细 胞等功能 光遗传学的方法不仅可以用 来研究神经细胞，也能用来 研究其他细胞的功能。 作为光遗传学的重要工具，寻 找符合要求且效率高的视蛋白 十分重要。 研究神经细胞的功能是控 制大脑的必经之路，另外 了解并控制其功能有望治 愈多种神经方面的疾病。 光遗传学的研究内容 光遗传学的应用前景 光遗传学的应用范围 利用光遗传学技术解释某些生物现象 利用光遗传学技术对哺乳动物行为进行 调控 靶向研究不同种类细胞的生命活动和功能 改善或治愈某些因神经系统功能障碍所引 起的疾病 医学 分子生物学 神经生物学 光遗传学的应用前景 可以极大地缓解由慢性压力引 起的抑郁样症状 选择性激活VTA多巴胺神经元 用相应视蛋白代替视网膜细 胞 视网膜出了问题 用遗传光学的方法提 高细胞活性 病因是脑细胞退化 植入运动神经元 的拟胚 神经损伤 肢体功能障碍 老年痴呆症 部分眼疾 抑郁症 疾病 用光遗传学的方法治疗疾病 Polygon图案化照明系统 Polygon 400 任性刺激形状编辑，多点、多波 长同时刺激 Polygon图案化照明系统 操作实例 安装简单方便 DLP技术的工作原理 应用实例 Fishell Research Group New York, Ne