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Optogenetics 光控基因技术系列 (一)

已有 21925 次阅读 2013-9-3 09:36 |个人分类:活色生香de生物科学|系统分类:科研笔记| optogenetics

Optogenetics 光控基因技术系列 ()

Optogeneticswiki里面翻译为光遗传学, 我没有异议. 但是在这里我更想把它翻译为光控基因技术.Optogenetics的从几篇文章到现在成为一个热门的领域经历了大概10年时间. 有大概几个研究方向: 第一是研究各类生物中自身表达的光敏蛋白的功能和对生物功能和行为的影响. 第二是将光敏蛋白比如光敏离子通道channelrodopsin, halorodopsin, melanopsin等通过转基因的方法表达在其他生物.然后用光刺激激活或者抑制细胞, 打开或者关闭基因表达. 这也是目前得到最广泛应用的方向. 第三是在本身失去感光细胞的动物视网膜内,外源引入感光蛋白,将本来并不感光的视网膜细胞转变为感光细胞,从而治疗失明.

从下图可看出,如果要使用人本身的视紫红质来治疗失明,需要把一整套的信号传导途径都表达在其他细胞,但是使用ChR2,只需要一种蛋白.难易程度显而易见.


作为一个在以optogenetics为主要研究方向的实验室工作学习四年多的学生, 我想在这里尝试写一个关于optogenetics的综述类文章.我的导师是潘卓华Zhuo-Hua, Pan. 2002年潘老师在Science上看到一篇关于在HEK细胞上可表达绿藻光敏离子通道的文章(Nagel et al., 2002),潘老师第一个想法就是可以用于治疗失明.潘老师的首先在小鼠视网膜上成功表达了Channelrhodopsin-2(ChR2), 这一工作发表在2006Neuron (Bi et al., 2006).在此同时,有几个实验室也对ChR2的功能以及应用发生了兴趣,比如Deisseroth, K.,Hegemann实验室. 2013ChR2的蛋白结构被解析(Kato et al., 2012)

NeuroscienceResearch (2013) Vol.75   Issue 1 是关于Optogenetics的专题, 此专题名为Photo-transduction proteins and their optogeneticapplications in neuroscience.

 

BiA, Cui J, Ma YP, Olshevskaya E, Pu M, Dizhoor AM, Pan ZH (2006) Ectopicexpression of a microbial-type rhodopsin restores visual responses in mice withphotoreceptor degeneration. Neuron 50:23-33.

Kato HE, Zhang F, Yizhar O, Ramakrishnan C, NishizawaT, Hirata K, Ito J, Aita Y, Tsukazaki T, Hayashi S, Hegemann P, Maturana AD,Ishitani R, Deisseroth K, Nureki O (2012) Crystal structure of thechannelrhodopsin light-gated cation channel. Nature 482:369-374.

Nagel G, Ollig D, Fuhrmann M, Kateriya S, Musti AM,Bamberg E, Hegemann P (2002) Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channelin green algae. Science 296:2395-2398.

 

 




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IP: 218.65.113.*   | 赞 +1 [7]王晓阳   2015-10-11 22:57
谢谢!很清晰地解决了我的疑惑。
IP: 218.65.113.*   | 赞 +1 [6]王晓阳   2015-10-6 16:10
我有2点不太懂得地方:1.在活的动物上,怎样施加一个光刺激,这个光刺激要精确定位到一个细胞上而不影响其他细胞?而且定位的这个细胞又刚好被转染了。2.如果是在脑片上,是在高倍镜下找到细胞在给与光刺激吗?那怎样确定这个细胞被转染有rhodopsin?谢谢!
回复  (1)如果表达在眼睛上,就不需要特别的刺激了,和普通光线一样。
如果表达在大脑神经元上,就需要手术去除一部分头盖骨,然后把光纤导入目标脑区。
2015-10-9 09:461 楼(回复楼主) 赞 +1 |
回复  第二个问题:
一般来说,光控蛋白是和荧光蛋白比如GFP链接形成融合蛋白,这样观察表达GFP的细胞就表达光控蛋白。
2015-10-9 09:472 楼(回复楼主) 赞 +1 |
回复  另外你提到的精确定位确实是一个问题,实际上是无法聚焦到特定细胞的,只能是大致的一个区域而已。
2015-10-9 09:483 楼(回复楼主) 赞 +1 |
回复  另外目前optogenetics主要不使用rhodopsin,而是使用channelrhodopsin,或者感光分子AAQ DENAQ,或者最新的opto-receptor,比如opto-mGluRs等等。
2015-10-9 09:504 楼(回复楼主) 赞 +1 |
IP: 116.226.8.*   | 赞 +1 [5]陈筝   2013-9-16 15:34
很有意思的领域
非常期待综述:)
IP: 199.76.144.*   | 赞 +1 [4]唐凌峰   2013-9-4 11:44
原来如此,谢谢!这样看来,”光控基因技术“更好。另外,悄悄滴问一下,你觉得optogenetics是值得获诺贝尔奖吗?
回复  当然值得啊
2013-9-4 11:491 楼(回复楼主) 赞 +1 |
IP: 128.163.8.*   | 赞 +1 [3]唐凌峰   2013-9-4 09:53
谢谢,”光控“两字很好,你文章中说“光刺激激活或者抑制细胞” 。是否改为”光控激活技术“更好呢?另外,” 打开或者关闭基因表达.“指的是什么?在神经细胞里面,好像是导致动作电位,是否在其它细胞里面效应是基因表达?
回复  光敏离子通道有阳离子通道ChR2, ChR2被光打开可激活细胞.光敏离子通道也有阴离子通道HaloR,HaloR是Cl-通道,被光激活和抑制细胞.
另外optogenetics还在不断发展中,Zhang Feng就研发了LITEs技术,这是通过蛋白重组设计出光敏转录因子(light sensitive transcriptional factors),这项技术可以打开或者关闭基因表达.文中我特指的其实是这个例子.
ChR2是一个非选择性阳离子通道,可通过Na 和Ca,Ca离子会参与很多细胞信号传导通路.Ca离子本身也可看做是一个信号分子(messenger).所以不单单是产生动作电位,ChR2的打开可提高神经细胞兴奋性.
2013-9-4 11:041 楼(回复楼主) 赞 +1 |
IP: 128.163.8.*   | 赞 +1 [2]唐凌峰   2013-9-4 06:42
光遗传学这个名词,的确不是太确切。我想了半天也想不通怎样与遗传学联系起来。这个英文的单词就有问题,逐字的翻译也不好,“光控遗传技术”更贴切。最好,是完全去掉“遗传”这个词。
回复  我试着改成了光控基因技术.
毕竟现在基因工程\基因技术已经成为了可以被接受的一个概念.
2013-9-4 09:211 楼(回复楼主) 赞 +1 |
IP: 130.237.35.*   | 赞 +1 [1]徐磊   2013-9-3 22:58
我赞同你的翻译,因为更反映学科的性质。
回复     谢谢
现在的genetics很多都是在体细胞上操控基因表达,侧重于在研究动物本身DNA或蛋白质的调控,倒不是侧重于研究遗传给下一代的性状.但是genetics只能被翻译为遗传学,真希望有更加贴切的其他翻译.
2013-9-4 00:341 楼(回复楼主) 赞 +1 |

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