[科普中國]-光遺傳

光遺傳通常是指結(jié)合光學(xué)與遺傳學(xué)手段，精確控制特定神經(jīng)元活動的技術(shù)。斯坦福大學(xué)Diesseroth實驗室2007 年發(fā)表在《自然》(Nature)上關(guān)于光控制神經(jīng)回路的文章[1]，被麻省理工學(xué)院技術(shù)綜述評為該年度十大最有影響的技術(shù)之一。2010年該技術(shù)入選Nature Methods 年年度方法（Method of the Year）”，Science雜志“十年突破（Breakthroughs of the Decade）”。

定義光遺傳通常是指結(jié)合光學(xué)與遺傳學(xué)手段，精確控制特定神經(jīng)元活動的技術(shù)。斯坦福大學(xué)Diesseroth實驗室2007 年發(fā)表在《自然》(Nature)上關(guān)于光控制神經(jīng)回路的文章[1]，被麻省理工學(xué)院技術(shù)綜述評為該年度十大最有影響的技術(shù)之一。2010年該技術(shù)入選Nature Methods 年年度方法（Method of the Year）”，Science雜志“十年突破（Breakthroughs of the Decade）”

該技術(shù)利用分子生物學(xué)、病毒生物學(xué)等手段，將外源光敏感蛋白基因?qū)牖罴?xì)胞中，在細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)上表達(dá)了光敏感通道蛋白；然后通過特定波長光的照射，控制細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)上的光敏感通道蛋白的激活與關(guān)閉；光敏感蛋白的激活和關(guān)閉可控制細(xì)胞膜上離子通道的打開與關(guān)閉，進(jìn)而改變細(xì)胞膜電壓的變化，如膜的去極化與超極化。當(dāng)膜電壓去極化超過一定閾值時就會誘發(fā)神經(jīng)元產(chǎn)生可傳導(dǎo)的電信號，即神經(jīng)元的激活；相反，當(dāng)膜電壓超極化到一定水平時，就會抑制神經(jīng)元動作電位的產(chǎn)生，即神經(jīng)元的抑制。神經(jīng)元生物學(xué)家經(jīng)常運用這種技術(shù)，通過光學(xué)方法無損傷或低損傷地控制特異神經(jīng)元的活動，來研究該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能，特別適用于在體、甚至清醒動物行為學(xué)實驗。

同時，利用類似的光學(xué)與遺傳學(xué)手段，可控制腦細(xì)胞外其它細(xì)胞中的蛋白表達(dá)，從而實現(xiàn)光誘導(dǎo)蛋白質(zhì)表達(dá)，啟動細(xì)胞內(nèi)生物學(xué)過程，進(jìn)而控制生物行為。因此光遺傳技術(shù)在生命活動與疾病研究中應(yīng)用廣泛。

1.活化神經(jīng)元的光遺傳學(xué)工具（optogenetics for activation of neuronal activity）在特定波段光的激發(fā)下，誘導(dǎo)光敏感蛋白的激活，促使神經(jīng)元細(xì)胞膜去極化的工具即為活化神經(jīng)元的光遺傳工具。其中，典型的用于激活神經(jīng)元的光敏感通道蛋白ChR2（channelrhodopsin），最早從萊茵衣藻中發(fā)現(xiàn)，后經(jīng)人為突變、修飾，改造成能適用于哺乳動物細(xì)胞、表達(dá)穩(wěn)定對細(xì)胞無毒的工具。該蛋白在藍(lán)光（最大激發(fā)峰在470nm波長附近）的激發(fā)下會誘導(dǎo)陽離子通道的打開，促使神經(jīng)元的去極化，進(jìn)而誘發(fā)動作電位，激活神經(jīng)元。如圖1左側(cè)圖示。

2. 抑制性神經(jīng)元光遺傳工具（optogenetics for inhibition of neuronal activity）

在特定波段光的激發(fā)下，誘導(dǎo)光敏感蛋白的激活，促使神經(jīng)元細(xì)胞膜超極化的工具即為抑制神經(jīng)元的光遺傳工具。其中典型的抑制神經(jīng)元活動的光敏感蛋白NpHR（鹽系菌視紫紅質(zhì)），最早從嗜鹽堿菌里發(fā)現(xiàn)，NpHR在黃綠光（最大激發(fā)峰在590nm波長附近）的激發(fā)下會誘導(dǎo)氯離子通道的打開，氯離子內(nèi)流造成神經(jīng)元的超極化，從而抑制神經(jīng)元動作電位的產(chǎn)生；當(dāng)然還有在蘇打鹽紅菌里發(fā)現(xiàn)的Arch（古紫質(zhì)），它在黃綠光（最大激發(fā)峰在566nm波長附近）的激發(fā)下會誘導(dǎo)質(zhì)子的外流，從而產(chǎn)生超極化信號，抑制神經(jīng)元的活動。如圖一右側(cè)圖示。

圖1 光遺傳工具調(diào)控膜電壓控制神經(jīng)發(fā)放工作原理[2]

3.應(yīng)用實例以下圖2-4給出一些應(yīng)用實例，分別是在腦片和完整動物上進(jìn)行的利用光控制神經(jīng)活動的實驗。

圖2 藍(lán)光精確控制表達(dá)ChR2-EYFP的神經(jīng)細(xì)胞誘導(dǎo)大鼠前度前額葉皮層神經(jīng)元的活動
a）離體原理圖，b）活體實驗圖 [3]

圖3 綠光通過控制表達(dá)有NpHR蛋白神經(jīng)細(xì)胞迅速并可逆地抑制大鼠前度前額葉皮層自發(fā)活動

（上：示意，下：電活動在激光開啟時被抑制）[3]

圖4 光纖傳輸藍(lán)光控制自由活動動物的運動方向改變。

右側(cè)次級運動皮層（M2）錐體細(xì)胞受光照，小鼠持續(xù)左轉(zhuǎn)，光刺激消失后立即恢復(fù)自由運動[4]

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

曾紹群 - 教授 - 華中科技大學(xué)武漢光電國家實驗室