光遗传学课堂

1、光遗传学,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,记忆消除棒,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,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

2、活动,慢得多,1,光遗传学的研究历史,美国斯坦福科学家,Karl Deisseroth,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,Nature Methods,杂志评选出的,2010,年度研究方法,光遗传学,optogenetics,Nature Methods,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,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,3.1,光遗

3、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,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,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

4、成光电流，使细胞发生去极化反,应,Channelrhodopsin (Kato et al., 2012,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 (Kouyama etal., 2010,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

5、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,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,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

6、展研究。（动物,3.3,光传导工具,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,4,光遗传学的研究与进展,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

7、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,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

8、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。,2010,年,Bruegmann

9、,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,optical,pacing,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,0.5,1.0,1.5,Hz,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,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