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光遗传学

时间:2013-07-12来源:机器视觉网http://shixinhua.com 作者:石鑫华 点击: 999999次

光遗传学

光遗传学融合光学及遗传学的技术,精准控制特定细胞在空间与时间上的活动。其时间上精准程度可达到厘秒,而空间上则能达到单一细胞大小。2010年光遗传学被Nature Methods选为年度方法,同年被Science认为是近十年来的突破之一。在两个期刊也分别在Youtube影片 及科学美国人文章里,以科普的方式解释何谓光遗传学。
 

发展

1979年弗朗西斯·克里克首次提出,为了了解大脑如何运作,我们需要一种方法,可以每次只让某一特定型态神经元活动被抑制,而不影响其他神经元的活动。然而就当时技术,利用侵入性电极来控制神经活动,没有办法准确控制哪些神经元被抑制或活化,而利用药物或者基因突变,虽然可以大致知道哪些神经元被影响,却没办法精准地控制何时这些神经元被抑制或活化。其后,许多人尝试将各式各样的基因或化合物结合在一起,希望其能表现在神经元里,利用光来控制神经元活动。这些方法虽然有效,但其在控制神经元活动的速度,标的神经元的精准度,能否表现在深层神经组织,对生物体是否有毒性,以及是否能简易地应用在其他模式生物系统等等考量上,往往并非理想,因而尝试几年之后,科学家转而思考,是否有办法找到在自然界中本身便对光有反应,并且能调控细胞电位的蛋白质。
 
然而其实早在1973年,微生物学家便发现细菌视紫质照光之后会成为离子转运蛋白,1977年发现盐细菌视紫红质也是离子转运蛋白,照黄绿光后会将氯离子打出细胞外,随后在2002年发现光敏感通道,照蓝光之后会将阳离子打进细胞内。
 
到了2005年八月,科学家第一次将光敏感通道表现在神经元里,发现我们可以用蓝光准确控制何时活化神经元,而光遗传学一词也在此时出现。随后发现细菌视紫质与盐细菌视紫红质也都能在神经元表现,准确调控其活动,并对神经元不产生毒害,至此之后,光遗传学迅速改变神经生物学界,成为了解特定神经元在大脑中扮演何种角色,不可或缺的工具。
 

活化神经元的光遗传学工具

光敏感通道-1(Channelrhodopsin-1)及光敏感通道-2(Channelrhodopsin-2)皆从莱茵衣藻里头发现,将其基因序列修改成最适合哺乳类表现之后,在大多模式生物系统之中都有很稳定的表现,且对细胞没有毒性。其中光敏感通道-2在全反式视黄醛(all-trans retinal)存在之下,可以在接受蓝光刺激50毫秒内,打开通道,使阳离子钠,钾流入细胞内,去极化神经细胞。不同的突变使光敏感通道-2有不同的特质,其中最常见的是将第134个氨基酸由组胺酸突变为精胺酸(ChR2(H134R)),该蛋白质可以产生两倍的光电流,但通道开关速度也比野生种慢了一倍.
 
在此之后,各式光遗传学工具纷纷出炉,大致上依其组成型态可分成三类。一类为以光敏感通道-2为基础,对其进行点突变,如上述的ChR2(H134R),ChR2(T159C)(TC),ChR2(L132C)(CatCh)等等,其中甚至有被称为跃阶光敏感通道(step function opsin, SFO)的突变,如ChR2(C128S/D156A)可以打开其离子通道长达30分钟。第二类则为将某部分光敏感通道-1及光敏感通道-2组合在一起的蛋白质,如ChIEF。第三类则为将光敏感通道-1及由团藻发现的光敏感通道(VChR1)组合在一起的蛋白质,统称为C1V1。
 

抑制神经元活动的光遗传学工具

第一个有效抑制神经元活动的光遗传学工具,是从嗜盐碱菌里头发现的盐系菌视紫红质,简称NpHR。其在黄绿光照射下会将氯离子打进神经元内,使其过极化,而抑制神经元活动。随后科学家将其加上信号肽,使其能在细胞膜上表现更好,即为eNpHR2.0及eNpHR3.0。由于盐系菌视紫红质与光敏感通道接受不同波长的光,因此可以将此二蛋白质表现在同一神经元上,利用不同波长的光活化或抑制该神经元活动,而能更深刻了解该神经元在大脑中扮演的角色。
 
此外还有从苏打盐红菌里发现的古紫质(Archaerhodopsin-3, Arch),古紫质为反质子泵,其对黄绿光非常敏感,使用900毫安培的黄绿光便能活化,将氢离子运送至神经元外,使其去极化。另外还有从真菌茎基溃疡病菌发现的Mac,可在蓝绿光照射下,将氢离子运送至神经元外。
 
值得注意的是,NpHR与Arch或Mac用不同机转来抑制神经元活动,近来发现NpHR将氯离子送至细胞内所导致的去极化,会在去极化后提升突触所引起的动作电位产生机率,而将氢离子运送至神经元外的Arch或Mac并无此影响,显示抑制神经元活动的光遗传学工具,可能会和神经原本身的讯号系统互相作用。
 

应用

秀丽隐杆线虫因其全身透明,基因克隆技术简单,且其神经网络如何连结大致已被界定,很适合利用光遗传学来研究其神经网络如何控制行为。研究显示光敏感通道-2、盐系菌视紫红质、古紫质(Archaerhodpsin-3, Arch)均能在秀丽隐杆线虫上表现,控制神经元活动。许多科学研究已经能成功在自由移动的秀丽隐杆线虫,利用光学技术,控制特定神经元活动。利用光遗传学技术,现在研究已经了解部分痛觉网络的神经元扮演的角色,发现控制特定神经元活动得以使秀丽隐杆线虫转弯、后退,甚至沿着虚拟光梯度前行。
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