光遺傳學最新研究進展

光遺傳學（optogenetics）是近幾年正在迅速發展的一項整合了光學、軟體控制、基因操作技術、電生理等多學科交叉的生物工程技術。其主要原理是首先採用基因操作技術將光敏感基因（如ChR2，eBR，NaHR3.0，Arch或OptoXR等）轉入到神經系統中特定類型的細胞中進行特殊離子通道或GPCR的表達。光感離子通道在不同波長的光照刺激下會分別對陽離子或者陰離子的通過產生選擇性，從而造成細胞膜兩邊的膜電位發生變化，達到對細胞選擇性地興奮或者抑制的目的。

光遺傳技術具有獨特的高時空解析度和細胞類型特異性兩大特點，克服了傳統手段控制細胞或有機體活動的許多缺點，能對神經元進行非侵入式的精準定位刺激操作而徹底改變了神經科學領域的研究狀況，為神經科學提供了革命性的研究手段。光遺傳技術在將來還有可能發展出一系列中樞神經系統疾病的新療法。

光遺傳學技術的應用在2010年後得到飛速的發展，應用研究領域涵蓋多個經典實驗動物種系（果蠅、線蟲、小鼠、大鼠、絨猴以及食蟹猴等），並涉及神經科學研究的多個方面，包括神經環路基礎研究、學習記憶研究、成癮性研究、運動障礙、睡眠障礙、帕金森症模型、抑鬱症和焦慮症動物模型等應用。

在進行光遺傳學技術的運用過程中，科學家們首先要尋找尋合適的光敏蛋白；其次進行相應的遺傳信息傳遞，即通過轉染、病毒轉導、轉基因動物系的建立等方法將光敏蛋白的遺傳信息傳遞給目標細胞；隨後科學家們利用可控性演示，通過從時間和空間上控制演示光線的特定性，來實現對細胞活動的精確演示；最後對研究結果進行讀取，這一過程研究者可以採用電極通過檢測細胞膜內外電壓來測量光敏蛋白的熒光效果變化，並可用熒光性生物感測器來檢測不同細胞的讀出值，進而通過行為測試來評估調整細胞活動對整個動物的影響。

基於此，針對光遺傳學技術近期取得的進展，小編進行一番盤點，以饗讀者。

1.Cell：重大進展！通過讓視紫紅質翻轉擴大光遺傳學工具包

doi:10.1016/j.cell.2018.09.026

在一項新的研究中，來自美國霍華德休斯醫學研究所等研究機構的研究人員發現一種對一類稱為視紫紅質（rhodopsin）的光敏感蛋白進行改造的新方法。通過在細胞膜中翻轉這類蛋白，他們能夠產生具有不同特性的工具。相關研究結果於2018年10月18日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「Expanding the Optogenetics Toolkit by Topological Inversion of Rhodopsins」。論文通信作者為霍華德休斯醫學研究所的Joshua Dudman和Alla Karpova。這種技術能夠讓用於光遺傳學（optogenetics）技術---一種用光來操縱神經元活動的技術---中的蛋白數量增加一倍。這些新開發的雜合視紫紅質蛋白讓這些研究人員能夠開展新的實驗，有助於分析大腦迴路並研究治療帕金森病背後的神經科學。

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圖片來自Cell,doi:10.1016/j.cell.2018.09.026。

受到進化的啟發，在Jennifer Brown、Reza Behnam、Luke Coddington和Gowan Tervo的領導下，這些研究人員開發出一種對新的視紫紅質進行改造的補充技術。除了突變之外，重組---通過基因改組（gene reshuffling）讓具有不同功能的蛋白結構域組合在一起---的存在也使得蛋白多樣性在自然界中出現。科學家們認為重組對於一小部分蛋白---通過進化，它們在細胞膜中的定向發生變化---的出現是至關重要的。

當這些研究人員通過在一種視紫紅質的一端添加一種新的蛋白來模擬重組時，它發生了翻轉。這真地是出於意料之外的。如果每一個現有的經過改造的或新發現的視紫紅質在翻轉時都能獲得新功能，那麼這可能導致用於光遺傳學技術中的蛋白工具翻倍。他們不僅能夠改變蛋白在細胞膜中的定向，而且還能夠發現這些新的經過改造的視紫紅質具有獨特而有用的新功能。其中的一種的稱為FLInChR（Full Length Inversion of ChR，ChR的全長翻轉）的視紫紅質剛開始時起著激活神經元的作用。當發生翻轉時，它變成一種強效且快速的抑製劑，可用於開展新的實驗。

2.Science光遺傳學重大突破！上轉換納米顆粒助力大腦深部刺激！或將顛覆神經疾病治療！

doi:10.1126/science.aaq1144; doi:10.1126/science.aar7379

日本理化研究所（RIKEN）腦科學研究所研究組長Thomas McHugh及其同事現在找到了將光非侵入性導入到腦深處的新方法。在他們昨天發表於《Science》上的文章中，他們使用上轉換納米顆粒（UCNPs）將激光導入到了頭蓋骨深處。這種納米顆粒可以在傳統光遺傳學無法達到的深度吸收近紅外光並將它們轉變為可見光。這種方法被用於激活大腦不同區域的神經元、沉默癲癇及激活記憶細胞。「納米顆粒可以有效地延長我們光纖可以到達的深度，從而可以進行光的遠程遞送，實現非侵入性治療。」McHugh說道。

除了激活神經元，UCNPs也可以用於抑制癲癇小鼠病情。研究人員給小鼠海馬區注射了可以發出綠光的納米顆粒，隨後用近紅外光在頭蓋骨表面進行照射。結果這些小鼠的癲癇神經元被有效沉默。在另一個叫做內側隔核的區域，納米顆粒發出的光促進了神經元theta周期（一種重要的腦電波）的同步。在具有恐懼記憶的小鼠中，研究人員使用可以發光的UCNPs成功在海馬區激起了小鼠的恐懼記憶。這些神經元激活、抑制和記憶激起效應只在注射了納米顆粒的小鼠身上觀察到。

3.Science：助推光學遺傳學發展！解析出紫紅質通道蛋白2的三維結構

doi:10.1126/science.aan8862; doi:10.1126/science.aar2299

紫紅質通道蛋白2（channelrhodopsin 2, ChR2）是一種廣泛用於光遺傳學技術（optogenetics）的膜蛋白。光遺傳學技術是一種相對較新的技術，涉及利用光來操縱活的有機體中的神經元和肌肉細胞。類似的方法已被用來部分地逆轉聽力/視力喪失和控制肌肉收縮。

圖片來自MIPT。

為了揭示出ChR2的結構，來自德國、法國、俄羅斯和捷克的研究人員使用了一種被稱作X射線衍射的分析技術。這種技術僅用於分析以晶體形式存在的蛋白樣品。他們在一種所謂的允許蛋白在不離開膜的情形下自由地移動的立方體脂質中間相（cubic lipid mesophase）中培養ChR2蛋白晶體。他們利用波長大約為1埃的X射線照射他們培養的ChR2蛋白晶體，通過分析X射線在這種蛋白晶體中的衍射情況，成功地解析出ChR2蛋白的結構。相關研究結果發表在2017年11月24日的Science期刊上，論文標題為「Structural insights into ion conduction by channelrhodopsin 2」。

4.Hippocampus：「光遺傳學」療法或能夠恢復部分阿茲海默症患者的記憶

doi:10.1002/hipo.22756

最近，來自哥倫比亞大學的研究者們在《Hippocampus》雜誌上發表文章稱通過光遺傳學的手段能夠恢復患阿茲海默症小鼠的記憶。這一發現也許能夠改變我們對於這一疾病的理解。

首先，作者通過給小鼠進行光遺傳學改造，使其在儲存記憶的時候發射光色的熒光，而在重新獲取記憶的時候發射紅色的熒光。之後，作者給予接受了遺傳改造的野生型小鼠與阿茲海默症小鼠以檸檬氣味的刺激，之後再施加電刺激，從而使這兩項記憶形成關聯。一周之後，作者再次給這些小鼠檸檬氣味的刺激。結果顯示，野生型小鼠能夠同時出現黃色與紅色的熒光，而且出現了恐懼的表現，這說明其在形成記憶的同時也發生了記憶的重新獲取（recall）。然而，阿茲海默症小鼠大腦發光的區域則明顯不同，說明它們的大腦在記憶重新獲取的過程中發生了紊亂。之後，研究者們利用一束藍光刺激小鼠的大腦，從而能夠再次激活小鼠對檸檬氣味以及電刺激的記憶，從而小鼠在再次聞到上述氣味的時候出現了顫慄的表現。

5.Cell：光遺傳學讓老鼠化身殘忍殺手

doi:10.1016/j.cell.2016.12.027

每隻老鼠體內都隱藏著一個殺手。研究人員已經找到了大腦中控制獵食行為的區域，並成功找到一種控制其開關的方式。來自耶魯大學的Ivan de Araujo博士及其同事發現了大腦中兩組控制小鼠獵殺行為的神經，一組協調追逐獵物，另一組則控制頸部和下頜的肌肉，兩組神經都在杏仁核中，杏仁核是人體涉及動作、感情和恐懼的區域。

圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2016.12.027。

通過修飾這些神經，他們可以通過激光激活這些神經，這個技術就叫做光遺傳學，研究團隊因此能夠在任何時候控制這些通路的開關。當激光關掉時，小鼠就正常行走在在籠子周圍，一旦激光打開，小鼠就會狂亂地攻擊它們路途中的任何事物：活蟋蟀、假昆蟲甚至是樹枝或者瓶蓋。它們會撲到獵物上，用爪子抓住獵物並反覆撕咬。

之後，研究人員嘗試分別抑制每組神經的功能，當他們抑制負責追捕獵物的神經時，老鼠追趕速度更慢，但是依然會撕咬；反過來，如果抑制負責撕咬的神經，老鼠就會追捕獵物，但是不撕咬。

6.Oncotarget：首次利用光遺傳學控制腫瘤發生

doi:10.18632/oncotarget.8036

在一項新的研究中，來自美國塔夫斯大學的研究人員基於青蛙模型首次證實利用光控制細胞之間的電信號，阻止腫瘤形成，以及在腫瘤形成後，讓它們正常化。這項研究是首次報道利用光遺傳學特異性地操縱生物電信號從而阻止癌基因誘導的腫瘤形成，和導致癌基因誘導的腫瘤消退。相關研究結果於2016年3月16日在線發表在Oncotarget期刊上，論文標題為「Use of genetically encoded， light-gated ion translocators to control tumorigenesis」。

青蛙是一種好的模式生物用於癌症基礎科學研究，這是因為青蛙和哺乳動物的腫瘤擁有很多相同的特徵，其中就包括快速的細胞分裂、組織破壞、血管生長增加、浸潤性和含有異常內部正電壓的細胞。相對於細胞外面，幾乎所有健康的細胞在細胞內部維持著更大的負電壓；打開和關閉細胞膜中的離子通道能夠導致電壓變得更加正性（讓細胞去極化）或更加負性（讓細胞極化）。在其他方面正常的條件下，利用腫瘤的異常生物電信號特徵就能夠檢測它們。

7.Neuron：刪除記憶？未來或許真可以

doi:10.1016/j.neuron.2014.09.037

近日，刊登在國際著名雜誌Neuron上的一篇研究論文中，來自加州大學戴維斯分校神經科學研究中心的研究人員利用光成功地剔除掉了小鼠大腦中的特殊記憶，該研究或為揭示大腦不同部分如何聯合工作來恢復情景記憶的機制提供了一定的思路。

光遺傳學（Optogenetics）是一種利用光來研究神經細胞的新型技術，近年來，該技術正在被科學家們快速採用作為標準方法來進行大腦功能的研究。文章中研究者Kazumasa Tanaka將該技術應用於進行記憶恢復等的研究中，長達40年來，科學家們假設恢復情景記憶（即便在特殊場所發生的特殊事件等）涉及大腦皮層和大腦海馬體之間的協調活動，該理論就是要研究在情景記憶恢復過程中涉及大腦皮層和海馬體的大腦活動重新產生活性的模式，從而使得個體再次經歷那些事件，如果海馬體被損傷，那麼病人就會失去數十年的記憶。

文章中，研究人員利用遺傳修飾化的小鼠進行研究，當小鼠神經細胞被激活後其可以全部發綠色熒光並且表達特殊蛋白質來促進神經細胞被光關閉，研究者將小鼠置於籠中對其訓練，在籠中小鼠會經歷電休克，正常情況下處於新環境中的小鼠會利用嗅覺來適應環境，但是當將其進行電休克後置於新環境中，他們就會處於一種恐懼反應中。

8.Nature：光遺傳學工具新希望，光碟機動鈉離子通道KR2結構被解析

doi:10.1038/nature14322

日本科學家在國際著名期刊《自然》發表學術文章稱，他們解析出了光碟機動鈉離子通道蛋白KR2結構，為未來新一代的光遺傳學工具創造了可能。

很多生物都可以吸收光的能量或者感知光的信息，靠的是一種視紫紅質分子。這種分子是有一個7個α螺旋跨膜蛋白（視蛋白）通過共價鍵連接在一個視黃醛分子上。根據視蛋白的種類可以分為動物和微生物視蛋白。而微生物的視紫紅質功能與動物中不同，主要是作為離子通道，離子轉運蛋白，感光分子或者是激酶。這種微生物的視紫紅質受到越來越多的關注。這是因為，離子通道和離子泵類型的視紫紅質可以用來在很多活體生物的神經細胞活動，已經成為了神經科學領域非常強大的光遺傳學工具。

通常認為，席夫鹼的帶正電荷的氫離子會定位於所有的光離子泵的離子通道中，並且被認為可以阻止陰離子和中性分子通過。KR2結構的解析又提出了新問題，就是這種離子泵是如何轉運鈉離子的。

9.Neuron：芝加哥科學家實現光遺傳學技術新突破

doi:10.1016/j.neuron.2015.02.033

隨著近年來科學家在表觀遺傳學領域研究的深入，人們開始希望通過體外刺激的方式來控制體內細胞尤其是神經元細胞的狀態。這一領域有著廣闊的應用前景，如治療黃斑病變等遺傳病。以此為基礎，光遺傳學等學科紛紛被建立起來。不過，目前為止，為了實現這一目標，研究人員不得不對神經元進行基因改造。這也極大阻礙了這一技術的普及。

圖片來自Neuron, doi:10.1016/j.neuron.2015.02.033。

最近來自芝加哥大學和伊利諾伊大學芝加哥分校的研究人員們在這一領域實現了突破。研究人員利用遠紅外光產生的熱量來控制正常神經元細胞正常的生命活動。不同於以往在正常神經元細胞中表達光敏蛋白的做法，來自芝加哥的科學家們選擇使用金納米顆粒來定位特定的神經元。為了解決金納米顆粒專一性的問題，研究人員將一種蠍神經毒素Ts1連接到金納米顆粒上。Ts1可以通過識別神經元細胞表面的鈉離子通道來靶向識別神經元細胞。這也是人類首次在不改造神經元遺傳特性的基礎上，實現光控神經元活動的目的。不過，這一研究仍處於早期階段，研究人員同時表示Ts1可能對神經元細胞存在毒性。這一研究工作被發表在Neuron雜誌上。

10.Nat Methods：光敏劑控制細胞靶向

doi:10.1038/nmeth.3735

發表於國際雜誌Nature Methods上的一項研究報告中，來自美國卡內基梅隆大學的研究人員為光遺傳學中的光敏劑重新設計開發了一種熒光探針用於控制細胞，該項技術或可幫助理解特定細胞和蛋白質在疾病發生中的作用，也為後期開發癌症或其它疾病的靶向性療法提供希望。

光遺傳學就是利用光來控制機體的生物學過程，研究者通常通過將光激活的組分重新編程入有機體的遺傳代碼中來實現光控細胞的過程，當這些組分暴露於光下，其就會促進部分機體組織發揮完全不同的功能。研究者花費了將近10年時間來開發名為熒光團激活蛋白（fluorogen-activating proteins，FAPs）的熒光探針，其常被用於在活細胞中實時監測蛋白質的活性，一種熒光團激活蛋白通常會在細胞中進行遺傳性地表達，當其同名為熒光發生素的熒光染料接觸時，複合物就會發光從而使得科學家們可以對其進行觀察和追蹤。

研究者Bruchez說道，為了開發光遺傳學的標籤，文章中我們對熒光染料進行了工程化操作，使其不僅可以發光，而且還可以產生單線態氧(Singlet Oxygen)，單線態氧是一種氧氣的毒性形式，當其結合熒光團激活蛋白並且暴露於光下後，靶向熒光團激活蛋白及光敏劑激活方法(FAP-TAPS)就會使得科學家們清楚看到標記的蛋白質，同時還可以選擇性地抑制這些蛋白質的活性。（生物谷 Bioon.com）

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