光遗传学的研究进展

1、光遗传学的研究进展1111047 李双摘要：光遗传学就是应用光来控制细胞的活性，已经被证明是神经科学中一种 潜力无穷的研究工具。近来光遗传学的应用扩展到了信号转导的研究，也开始有医学临床的应用的报道，进一步发展光遗传学无疑将推动合成神经学、生理学 及细胞生物学等多领域的研究。本文介绍光遗传学的发展历程，以及光遗传学在 疾病治疗的多方面应用。关键词：光遗传学疾病治疗神经病学光遗传学(optogenet-ics )是一种通过使用光学技术和遗传技术来实现控 制细胞行为的方法，它克服了传统的只用光学手段控制细胞或有机体活动的许多 缺点，为神经科学提供了一种变革性的研究手段。通过光遗传学工具，能够激活

2、清醒哺乳动物的单一神经元，并直接演示神经元激活表现出的行为结果，使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。光遗传学研究使用的新技术可以推广到所有类型的神经细胞，比如大脑的嗅觉、视觉、触觉、听觉细胞等，开辟 了一个新的让人激动的研究领域。1. 光遗传学的迅速崛起在光遗传学领域中，格罗米森伯克(Gero Miesenbck )实验室率先开展 这方面的研究。2005年，卡尔迪瑟罗思(Karl Deisseroth )、爱德华博伊 登(Edward Boyden)和他们的同事们证明了来自于绿藻的视蛋白可以使神经元 产生对光的应答。光遗传学开始引起人们的广泛注意。在其后的几年中，人们实现了活小鼠脑

3、中光可控蛋白质的表达一一甚至在活动中的、神志清醒的其他动物中也实现了这种表达一一成为了神经科学中的一种重要的实验方法。在研究 中，兴奋性的光学开关，比如蓝光激活了的通道视紫红质，已经与抑制性的光敏蛋白质(黄光激活的盐细菌视紫红质氯离子泵)联系起来了，从而开启了这样的可能性：使用不同的“效应器”结构域将不同的视蛋白与它们的变体组合起来。虽然光遗传学成为一种研究工具只有大约五年的时间，可能让人吃惊的是， 它已经衍生出了几个富有前途的转化型研究领域， 其大部分研究工作集中于神经 病学的应用研究。 例如，光遗传学已经用来研究传入性轴突、兴奋性神经元和 星形神经胶质在底丘脑核中的作用，以及帕金森氏症模型

4、中的第五层运动皮质投 射神经元的作用。类似的工作已经在抑郁症和焦虑症中得以开展。2. 光遗传学在疾病治疗的应用2.1精神疾病的治疗光遗传学技术在成瘾的研究已取得一定进展。已知脑中存在激励机制，促使 我们产生喜欢某种食物或某件事物的情感。 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。有了这一技术，可以实时地研究多巴胺能神经元的兴奋或抑制对动物行为的影响， 同时也可以检测各种干预手段 的效果。这些研究对于我们理解成瘾的机制以

5、及干预有很大的帮助。另外一种精神疾病叫做创伤后心理压力紧张综合症 (PTSD)，为了研究这一疾 病，科学家们已经建立了成熟的 PTSC动物模型。在小鼠模型中，实验人员在一 个声音提示之后在小鼠所在的笼子底部给予短暂的电刺激，使小鼠产生惊吓，重复数次之后，小鼠开始害怕提示音，每次一听到提示音就停住不动。通过用光感 蛋白对不同类型神经元进行标记然后再用光刺位于大脑前额叶的锥体神经元与 这种恐惧的形成有关。如果在实验中激活前额叶锥体神经元，几次训练之后小鼠 在听到提示音后不再僵住不动，而是继续正常活动，提示这种刺激有可能帮助小 鼠克服焦虑。目前，光遗传学技术还被应用到很多项与抑郁和焦虑有关的科学研

6、究当中，这些研究有可能最终揭示不同类型心理疾病的不同机制。2.2眼病的治疗光遗传学治疗方法的一个特别引人注目的应用是用于眼病。 在这些眼病中， 光受体细胞死亡殆尽或者失去抵抗力，但视网膜电路仍然保持大部分完好。包括新创办的Eos Neuroscienee 公司在内的几家研究机构， 初步证明了在视盲的模型小鼠中，应用腺病毒相关病毒介导性输入方法， 将一些视蛋白导入到枧网 膜细胞中，可以导致视力方面的电生理学的改善和行为学改善，而且，在一些病例中，视觉应答可以长达10个月。2.3神经修复学领域神经修复学领域中，运动神经元的光遗传学刺激疗法可能也有一些优势。那些使用电刺激的仪器倾向于优先吸收和补充大

7、块的肌肉纤维，导致了肌肉疲劳和肌肉控制与力量方面的损伤。而当运动神经元被使用通道视紫红质和光进行替代性刺激的时候，肌肉纤维充的正常秩序被保护起来，避免了上述这些问题的出现。这种意料之外的发现已经提示了神经修复学仪器研发方面新的可能性。 在一项类似的工作中，一家新办的名为LucCell的公司正在使用脊椎动物视紫 红质4于小鼠模型中用于关闭尿道括约肌，从而恢复膀胱的正常控制功能 2.4代谢疾病代谢性疾病领域， 葡萄糖内环境稳态的光学控制已经于近期得到了证明， 方法是使用一种基于黑视蛋白的细胞信号转导级联反应，最终导致了重组多肽一一胰高血糖素样多肽1（ GLP-1）的表达。在应答于光的情况下，包括那

8、些 植入了通过工程化可以表达黑视蛋白和 GLP-1的胶囊化细胞的糖尿病小鼠，可 以控制葡萄糖的水平。2.5心脏疾病有些文章报道了转基因小鼠的心脏中表达通道视紫红质的情形，成功地完成了在高度的空间和时间分辨率下对电活性的精细操作。这就提示了未来光遗传学起搏器会有其适用的微环境， 比如心房颤动，从而改变现有的起搏器技术。3. 总结光遗传学在近年来得到愈来愈多的应用， 显示了巨大的前景。光遗传学的技 术进展显示了交叉学科研究的潜力与生命科学新研究方法的重要性。这些应用要进入临床，仍需多年的努力。与此同时，应用于人体的光遗传学将需要管理方面的综合考虑，包括载体毒性、输送效率、细胞靶击特异性、免疫原性和

9、插入诱 变，它们的解决和相关研究将告诉人们，外源性视蛋白的长期表达是否会引发一 些免疫应答。这些方法对光刺激性仪器的需要和基因治疗方法一样，将会在管 理的复杂性上带来一些不便。参考文献:1 王永婷，光遗传学，操控神经细胞的新工具，科技生活，2013.08第170期752 林其谁，光遗传学，生命科学，Vol. 23, No. 10Oct., 2011，1004-0374(2011)10-0935-03MatthiasNature3 SilvanaKonermann, Mark D. Brigham, Alexandro E. Trevino, Patrick D. Hsu,Heidenreich,Optical control of mammalian endogenous transcription and epigenetic states,500, 472-476 doi:10.1038