光遺傳學的研究進展

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1、光遺傳學的研究進展1111047李雙摘要：光遺傳學就是應用光來控制細胞的活性，已經(jīng)被證明是神經(jīng)科學中一種潛力無窮的研究工具。近來光遺傳學的應用擴展到了信號轉(zhuǎn)導的研究，也開始有醫(yī)學臨床的應用的報道，進一步發(fā)展光遺傳學無疑將推動合成神經(jīng)學、生理學及細胞生物學等多領域的研究。本文介紹光遺傳學的發(fā)展歷程，以及光遺傳學在疾病治療的多方面應用。關(guān)鍵詞：光遺傳學疾病治療神經(jīng)病學光遺傳學（optogenet-ics）是一種通過使用光學技術(shù)和遺傳技術(shù)來實現(xiàn)控制細胞行為的方法，它克服了傳統(tǒng)的只用光學手段控制細胞或有機體活動的許多缺點，為神經(jīng)科學提供了一種變革性的研究手段。通過光遺傳學工具，能夠激活清

2、醒哺乳動物的單一神經(jīng)元，并直接演示神經(jīng)元激活表現(xiàn)出的行為結(jié)果，使得研究人員能夠獲得關(guān)于脊髓回路的一些重要信息。光遺傳學研究使用的新技術(shù)可以推廣到所有類型的神經(jīng)細胞，比如大腦的嗅覺、視覺、觸覺、聽覺細胞等，開辟了一個新的讓人激動的研究領域。1.光遺傳學的迅速崛起在光遺傳學領域中，格羅·米森伯克（GeroMiesenbck）實驗室率先開展這方面的研究。2005年，卡爾·迪瑟羅思（KarlDeisseroth）、愛德華·博伊登（EdwardBoyden）和他們的同事們證明了來自于綠藻的視蛋白可以使神經(jīng)元產(chǎn)生對光的應答。光遺傳學開始引起人們的廣泛注意。在其后的幾年中，人們實現(xiàn)了活小鼠腦中

3、光可控蛋白質(zhì)的表達——甚至在活動中的、神志清醒的其他動物中也實現(xiàn)了這種表達——成為了神經(jīng)科學中的一種重要的實驗方法。在研究中，興奮性的光學開關(guān)，比如藍光激活了的通道視紫紅質(zhì)，已經(jīng)與抑制性的光敏蛋白質(zhì)（黃光激活的鹽細菌視紫紅質(zhì)氯離子泵）聯(lián)系起來了，從而開啟了這樣的可能性：使用不同的“效應器”結(jié)構(gòu)域?qū)⒉煌囊暤鞍着c它們的變體組合起來。雖然光遺傳學成為一種研究工具只有大約五年的時間，可能讓人吃驚的是，它已經(jīng)衍生出了幾個富有前途的轉(zhuǎn)化型研究領域，其大部分研究工作集中于神經(jīng)病學的應用研究。例如，光遺傳學已經(jīng)用來研究傳入性軸突、興奮性神經(jīng)元和星形神經(jīng)膠質(zhì)在底丘腦核中的作用，以及帕金森氏癥模型

4、中的第五層運動皮質(zhì)投射神經(jīng)元的作用。類似的工作已經(jīng)在抑郁癥和焦慮癥中得以開展。2.光遺傳學在疾病治療的應用2.1精神疾病的治療光遺傳學技術(shù)在成癮的研究已取得一定進展。已知腦中存在激勵機制，促使我們產(chǎn)生喜歡某種食物或某件事物的情感。利用光遺傳學技術(shù)，科學家們把光感蛋白表達在小鼠的多巴胺能神經(jīng)元上，然后在小鼠執(zhí)行某項任務時給予光刺激使多巴胺能神經(jīng)元興奮，從而使小鼠產(chǎn)生愉悅感。實驗表明經(jīng)過訓練后的小鼠會一次次地去主動完成任務從而獲得愉悅感的獎勵。有了這一技術(shù)，可以實時地研究多巴胺能神經(jīng)元的興奮或抑制對動物行為的影響，同時也可以檢測各種干預手段的效果。這些研究對于我們理解成癮的機制以及干

5、預有很大的幫助。另外一種精神疾病叫做創(chuàng)傷后心理壓力緊張綜合癥(PTSD)，為了研究這一疾病，科學家們已經(jīng)建立了成熟的PTSD動物模型。在小鼠模型中，實驗人員在一個聲音提示之后在小鼠所在的籠子底部給予短暫的電刺激，使小鼠產(chǎn)生驚嚇，重復數(shù)次之后，小鼠開始害怕提示音，每次一聽到提示音就停住不動。通過用光感蛋白對不同類型神經(jīng)元進行標記然后再用光刺位于大腦前額葉的錐體神經(jīng)元與這種恐懼的形成有關(guān)。如果在實驗中激活前額葉錐體神經(jīng)元，幾次訓練之后小鼠在聽到提示音后不再僵住不動，而是繼續(xù)正?；顒?，提示這種刺激有可能幫助小鼠克服焦慮。目前，光遺傳學技術(shù)還被應用到很多項與抑郁和焦慮有關(guān)的科學研究當中，

6、這些研究有可能最終揭示不同類型心理疾病的不同機制。2.2眼病的治療光遺傳學治療方法的一個特別引人注目的應用是用于眼病。在這些眼病中，光受體細胞死亡殆盡或者失去抵抗力，但視網(wǎng)膜電路仍然保持大部分完好。包括新創(chuàng)辦的EosNeuroscience公司在內(nèi)的幾家研究機構(gòu)，初步證明了在視盲的模型小鼠中，應用腺病毒相關(guān)病毒介導性輸入方法，將一些視蛋白導入到枧網(wǎng)膜細胞中，可以導致視力方面的電生理學的改善和行為學改善，而且，在一些病例中，視覺應答可以長達10個月。2.3神經(jīng)修復學領域神經(jīng)修復學領域中，運動神經(jīng)元的光遺傳學刺激療法可能也有一些優(yōu)勢。那些使用電刺激的儀器傾向于優(yōu)先吸收和補充大塊的肌肉

7、纖維，導致了肌肉疲勞和肌肉控制與力量方面的損傷。而當運動神經(jīng)元被使用通道視紫紅質(zhì)和光進行替代性刺激的時候，肌肉纖維充的正常秩序被保護起來，避免了上述這些問題的出現(xiàn)。這種意料之外的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)提示了神經(jīng)修復學儀器研發(fā)方面新的可能性。在一項類似的工作中，一家新辦的名為LucCell的公司正在使用脊椎動物視紫紅質(zhì)4于小鼠模型中用于關(guān)閉尿道括約肌，從而恢復膀胱的正?？刂乒δ?.4代謝疾病代謝性疾病領域，葡萄糖內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的光學控制已經(jīng)于近期得到了證明，方法是使用一種基于黑視蛋白的細胞信號轉(zhuǎn)導級