化学遗传学与光遗传学:我应该选择哪种方法?

玛雅·彼得斯·科斯特曼(Maya Peters Kostman)著

化学和光基因技术已经推动了神经科学的边界,通过授予对神经元活动的目标控制。虽然它们的目的相似,但这两种技术为研究人员提供了不同的优势和局限。

化学遗传学和光遗传学的四个主要差异因素是:

  • 时机
  • 有针对性的操作
  • 控制刺激
  • 侵袭性

因此,选择最好的工具集取决于您要研究的内容。

化学遗传学与光遗传学在病毒传递、受体激活和行为方面的示意图
图1:在小鼠实验中化学遗传学和光遗传学的差异示意图。病毒传递在这两种情况下是相同的,但激活依赖于小分子激活(化学遗传学)或光(光遗传学)。

时机

光遗传学提供了一个高度的时间分辨率,接收器可以简单地打开和关闭与正确的波长光的存在或不存在。这种反应是即时的,以毫秒为单位,可以精确地将神经元的激活与行为联系起来。科学家们继续设计视蛋白,使其以越来越快的动力学速度运行。例如,视蛋白ChETA是一种ChR2视蛋白,在动力学上突变得更快,并允许神经元更快地再极化。

Chemogenetics没有提供相同水平的控制时间。因为化学遗传学依赖于化学激活和药物在全身的扩散,受体激活的开始需要几分钟。因此,不可能立即引起反应或追踪激活的确切时间。受体的活性也被拉长,因为药物可以一直存在,直到被身体清除。给药一次可以导致几个小时的神经元兴奋或抑制。这种持续的激活期对于需要延长效果的治疗或行为应用是有益的。

有针对性的操作

光遗传学和化学遗传学工具都可以表达它们有针对性的对特定的组织,细胞类型甚至神经元的亚细胞区域。光遗传学方法擅长于离散细胞或组织亚区域,以达到光传递的极限。化学发生方法擅长于广泛的组织或系统范围的靶向,因为配体可以到达目标细胞遍布全身。

控制刺激

一些研究依赖于向受体传递可逆的或不同数量的刺激。光遗传学可以更好地控制这些因素,因为可以轻松快速地操纵或关闭光源。在化学遗传学中,虽然可以注入不同浓度的配体,但这并不精确,而且刺激的抵消是渐进的。

侵袭性

光遗传学和化学遗传学工具都需要被传递到细胞,通常通过病毒传递的AAV。你可以找到AAV工具光遗传学chemogeneticsAddgene网站。

光遗传学也要求正确波长的光到达大脑中的受体。解决这个问题的一种方法是研究大脑具有光感应能力的生物,比如斑马鱼的幼虫。然而,对小鼠的研究需要通过手术安装永久性的颅内植入物,以允许光线传递。

化学遗传学具有侵入性较低、灵活性较强的优势,因为它依赖于设计配体,可以简单地通过注射引入。使用配体的主要挑战是确保激动剂能够通过血脑屏障,同时又具有选择性和有效性。一个新的配体布莱恩罗斯实验室Takafumi Minamimoto的实验室被称为deschloroclozapine(DCZ)已开发以满足这些要求。

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博士TL;

如果需要对一小部分神经元进行精确的时空控制,可以使用光遗传学。如果需要对整个电路或组织系统进行广泛的控制,可以使用化学遗传学。请注意,与所有工具一样,这两种方法都有独特的偏离目标的副作用,在实验设计中应该仔细控制这些副作用。

光遗传学 Chemogenetics
时机 快速激活/失活 长期激活
针对 进一步限制在照明区域 影响所有表达受体的细胞
侵袭性 小鼠需要永久性颅内植入 非侵入性
控制刺激

外生
容易控制的

内生
不容易控制

独特的优势 大脑映射
解剖电路
GPCR的研究途径


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确认

我们感谢布莱恩罗斯实验室获取对本文的反馈,并与我们分享他们的专业知识。

参考文献

Urban DJ, Roth BL (2015) dreadd(由设计药物激活的设计受体):具有治疗效用的化学生成工具。药理学和毒理学年度评论55:39 - 417。https://doi.org/10.1146/annurev-pharmtox-010814-124803

Vlasov, K., Van Dort, C. J., & Solt, K.(2018)。光遗传学和Chemogenetics。在酶学方法(第181-196页)。https://doi.org/10.1016/bs.mie.2018.01.022

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