Nature子刊:光遺傳學技術獲得重大突破
日期:2014-07-01 09:09:40
光遺傳學允許人們通過光照控制大腦的神經元活性。這一技術依賴能夠抑制或刺激神經元電信號的光敏蛋白,還需要將光源植入大腦,讓光到達需要控制的細胞。
日前,MIT副教授Ed Boyden領導研究團隊開發了一個新型光敏蛋白,它們可以響應頭骨外的光源,實現非侵入性的神經元控制。這種被稱為Jaws的蛋白不僅可以在無植入光源的情況下進行長期研究,還能夠影響更大量的組織。
這一成果發表在六月二十九日的Nature Neuroscience雜志上,將為光遺傳學技術治療癲癇等神經系統疾病奠定基礎。
光遺傳學技術誕生已經有十五年了,現在它已經成為許多實驗室的一個常用工具,幫助人們進一步理解神經元的作用機制。這一技術包括改造神經元,使其表達光敏蛋白(例如視蛋白),這些蛋白能夠控制進出細胞的離子流,進而調節神經元的電活性。
傳統的光遺傳學技術需要將光纖植入大腦,但這一過程比較困難,也不支持許多應用。舉例來說,光纖植入不適合研究大腦發育和神經退行性疾病,也難以對慢性病進行長期研究。
大自然的寶藏自然界有許多微生物通過視蛋白感知光線,對環境做出反應。目前光遺傳學使用的絕大多數天然視蛋白是應答藍光或綠光,但實際上紅光深入活組織的能力更強。
Boyden等人之前在細菌(Haloarcula marismortui和Haloarcula vallismortis)中發現了兩種響應紅光的光敏氯離子通道,但這些分子誘導的電流不夠強,不足以控制神經元的活性。
研究人員在這項研究中,通過誘變和篩選,找到了既保留紅光敏感性又能生成較強電流的蛋白Jaws。在這種蛋白的幫助下,他們能夠通過大腦之外的光源,關閉小鼠大腦中的神經元活性。這種抑制可以達到3毫米深,與傳統方法同樣有效。
恢復視力在視網膜色素變性中,視錐會慢慢萎縮,最終導致失明。此前有研究顯示,通過基因工程技術讓視錐細胞表達光敏蛋白,能夠使小鼠恢復一定的視力。
為此,研究人員在小鼠視網膜中檢測了Jaws蛋白的效果。研究顯示,Jaws蛋白更貼近眼部的天然視蛋白,能夠提供更廣泛的感光能力。這說明,這種蛋白對于治療視網膜色素變性可能更有用。
非侵入性的光遺傳學技術,代表著光遺傳學走向臨床的重要一步。“鑒于這些分子來自于其他物種,我們必須仔細評估它們用于臨床的安全性,”Boyden說。