NATURE METHODS十大技術(shù)之一—光遺傳學(xué)

1、NATURE METHODS十大技術(shù)之一光遺傳學(xué) 近期光遺傳學(xué)之父Dr.Georg Nagel造訪(fǎng)了咱們金開(kāi)瑞，據(jù)說(shuō)這位大大是諾貝爾獎(jiǎng)的熱門(mén)候選者，那么一臉懵逼的吃瓜群眾就發(fā)問(wèn)了：啥是光遺傳學(xué)，聽(tīng)起來(lái)好高大上！何為光遺傳學(xué)？ 光遺傳學(xué)（optogenetics）是近幾年正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)整合了光學(xué)、軟件控制、基因操作技術(shù)、電生理等多學(xué)科交叉的生物工程技術(shù)。其主要原理是首先采用基因操作技術(shù)將光感基因（如ChR2，eBR，NaHR3.0，Arch或OptoXR等）轉(zhuǎn)入到神經(jīng)系統(tǒng)中特定類(lèi)型的細(xì)胞中進(jìn)行特殊離子通道或GPCR的表達(dá)。光感離子通道在不同波長(zhǎng)的光照刺激下會(huì)分別對(duì)陽(yáng)離子或者陰離子的通過(guò)產(chǎn)生選

2、擇性，從而造成細(xì)胞膜兩邊的膜電位發(fā)生變化，達(dá)到對(duì)細(xì)胞選擇性地興奮或者抑制的目的。 Nature Methods雜志在十周年之際推出了紀(jì)念特刊，點(diǎn)評(píng)了在過(guò)去十年中對(duì)生物學(xué)研究影響深刻的十大技術(shù)，其中就包括光遺傳學(xué)技術(shù)。我們可以毫不夸張地說(shuō)，光遺傳學(xué)技術(shù)給神經(jīng)學(xué)帶來(lái)了一場(chǎng)革命?，F(xiàn)在，這一技術(shù)已經(jīng)迅速成為了許多實(shí)驗(yàn)室里的標(biāo)準(zhǔn)工具。越來(lái)越多的人相信，光遺傳學(xué)技術(shù)不僅可以闡明疾病機(jī)理，還能夠治療多種人類(lèi)疾?。ū热缗c視網(wǎng)膜有關(guān)的疾?。?。光遺傳學(xué)技術(shù)好在哪兒？ 用光讀取和控制神經(jīng)活性的好處很明顯，這種技術(shù)是非侵入性的，能在精確的時(shí)空點(diǎn)上進(jìn)行靶標(biāo)，可以同時(shí)采用多種波長(zhǎng)和位點(diǎn)，能報(bào)告特定分子的存在或活性。在信號(hào)

3、讀取方面，人們開(kāi)發(fā)了高度敏感的探針，檢測(cè)突觸的釋放、細(xì)胞內(nèi)鈣離子和膜電壓。在神經(jīng)元操縱方面，人們鑒定和優(yōu)化了一系列激活和失活神經(jīng)元的蛋白。 光遺傳學(xué)技術(shù)已經(jīng)滲透到了神經(jīng)學(xué)的每一個(gè)角落，研究者們不僅用它來(lái)研究大腦的基礎(chǔ)功能，還在動(dòng)物模型中探索疾病的發(fā)病機(jī)制。光遺傳學(xué)的激活子和抑制子可以在同一個(gè)細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，這對(duì)于因果關(guān)系的建立特別有幫助。 在光遺傳學(xué)領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)新探針是至關(guān)重要的。人們對(duì)光敏蛋白Channelrhodopsin及其突變體進(jìn)行不斷改造，開(kāi)發(fā)了更利于雙光子激發(fā)的C1V1、能在大腦深處或透過(guò)頭蓋骨激活的ReaChR。最近，研究者們還在高分辨率晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，改造出了光遺傳學(xué)抑制子。此外，

4、人們也從自然界鑒定了一些抑制性的視蛋白，包括現(xiàn)在廣泛使用的Arch15和最近發(fā)現(xiàn)的Jaws。在信號(hào)讀取方面，出現(xiàn)了新一代的鈣離子感應(yīng)器（比如GCaMP6和Twitch）和電壓感應(yīng)器（QuasAr家族）。 光遺傳學(xué)技術(shù)有什么問(wèn)題？ 一些批評(píng)者認(rèn)為，光遺傳學(xué)激活子的標(biāo)準(zhǔn)用法存在瑕疵。首先，這樣的刺激水平可能使神經(jīng)元應(yīng)答超出生理范圍，而這一點(diǎn)又很難加以評(píng)估。在這種情況下，神經(jīng)回路會(huì)出現(xiàn)不自然的變化，最后導(dǎo)致不正確的生理學(xué)結(jié)論。這個(gè)問(wèn)題不僅限于激活子，抑制子也可能超出正常的作用范圍。其次，光敏蛋白的表達(dá)和光照在神經(jīng)元群體中并不均勻，結(jié)果是光遺傳學(xué)操縱的量級(jí)和范圍會(huì)出現(xiàn)異質(zhì)性。另外，大范圍光刺激同時(shí)作用在神經(jīng)元群體上，可能使回路出現(xiàn)非生理性的活動(dòng)模式。最后，傳統(tǒng)光遺傳學(xué)技術(shù)靶標(biāo)特定遺傳學(xué)背景的神經(jīng)元群體，不能再選擇性激活其中的亞群。現(xiàn)在，科學(xué)家們