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Science發布光遺傳學重要新技術

日期:2014-04-03 09:08:05

 

網絡化的神經細胞是生物體的控制中心。在線蟲中,300個神經細胞就足以引發復雜的行為。為了更好地了解這些網絡的特性,研究人員利用光來開啟和關閉細胞,觀察生物體隨之發生的行為。在發表于《科學》(Science)雜志上的一篇新論文中,科學家們報告稱有一種蛋白質可使光控神經細胞變得更為容易。它有可能為神經系統疾病研究奠定基礎。

 

要用光來改變神經細胞,須借助于在細胞膜中形成離子通道的某些蛋白。這些蛋白被稱作視紫紅質通道蛋白channelrhodopsin)。如果光線觸及這些離子通道,它們會打開,離子進入,致使細胞特異性地激活或失活。通過這種方式,研究人員獲得了一種極好的工具來研究神經細胞網絡的功能。然而到目前為止,這種技術仍要求大量的光線,且只能改變網絡中非常有限的區域。新研究中提及的ChlocC視紫紅質通道蛋白相比于迄今為止用于關閉神經細胞的其他蛋白質,響應光線的敏感度要增高大約10,000倍。

 

卡爾斯魯厄理工學院(KIT)的Marcus Elstner說:“為了改變這一蛋白質,我們在電腦上分析了它的結構。這位理論化學家和他的研究團隊構建出了由大約5000個原子組成的這一蛋白質的模型。為此,他們利用了卡爾斯魯厄理工學院Steinbuch計算中心的高性能計算機。花費數周時間,連同蛋白質環境,如細胞膜和細胞質,對大約10萬個原子進行了計算。結果發現這一通道的離子導電性實質上是建立在中心區域的3個氨基酸基礎之上。通過交換氨基酸,科學家們現在成功地提高了這一離子通道的敏感性。

 

2005年以來,科學家們一直利用來自微藻的視紫紅質通道蛋白。在神經切片或活體轉基因模式生物,如果蠅、斑馬魚或小鼠中,借助這些蛋白人們可以利用光線來特異性激活選擇細胞。因此,進一步了解了它們在細胞結構中所起的作用。這種稱作為光遺傳學optogenetics)的技術被廣泛應用。在過去的數年里,它促使更深入地了解了信號處理相關的生物學。到目前為止繪制出了一些難以觸及的神經信號通路,發現了蛋白質、細胞、組織以及神經系統功能之間許多的關聯。

 

在這項新研究中,來自卡爾斯魯厄理工學院、柏林洪堡大學和漢堡Thomas Oertner分子神經生物學中心的研究人員進一步開發了這一離子通道。Jonas WietekNona Adeishvili與柏林洪堡大學的Peter Hegemann研究組展開合作,成功鑒別出了視紫紅質通道蛋白的選擇性過濾器,對它進行改造導入負電荷氯離子。科學家們將這些氯離子傳導通道命名為ChlocC

 

來自卡爾斯魯厄理工學院Marcus Elstner研究小組的Hiroshi Watanabe計算了蛋白質中離子的分布并通過顯像證實了氯離子分布增高。來自Thomas Oertner分子神經生物學中心Thomas Oertner研究小組的Simon Wiegert證實,將ChlocC導入選擇性的神經元中,以非常小的光強度即可導致后者失活,在活體生物中亦是如此。現在這種新型的光遺傳學工具ChloC,可與主要傳導鈉離子和質子的已知光激活陽離子通道一起,用于神經科學中研究神經網絡的轉換。

 

這一基礎知識或許可幫助更好地了解如癲癇和帕金森病一類疾病的機制。從現在起的未來數年里,這有可能促成一些比當前的治療藥物更具特異性的治療概念。

 


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