光遗传学_林其谁

第23卷 第10期2011年10月V ol. 23, No. 10

Oct., 2011

生命科学

Chinese Bulletin of Life Sciences

文章编号：1004-0374(2011)10-0935-03

光遗传学

林其谁

(中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所，细胞生物学国家重点实验室(筹)，上海 200031)

摘　要：虽然“光遗传学”只是一种技术方法，但它在文献中正愈来愈多地被提到。光遗传学结合了重组DNA 技术与光学技术，对细胞生物学的研究非常有用。它被广泛应用于活细胞内目标蛋白质的跟踪以及选择性地控制脑中某类细胞的特定的神经活动从而推动了神经科学研究的深入。近来光遗传学的应用扩展到了信号转导的研究，也开始有医学临床的应用的报道。进一步发展光遗传学无疑将推动合成生理学的研究。光遗传学被《自然-方法学》期刊评为2010年年度方法。关键词：光遗传学；光敏蛋白质；光激活离子通道；神经元中图分类号：Q784 文献标志码：A

Optogenetics

LIN Qi-Shui

(State Key Laboratory of Cell Biology, Institute of Biochemistry and Cell Biology

Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China)

Abstract: The term “Optogenetics” has been widely used in the literature, although it is simply a technical method. Optogenetics combines recombinant DNA technology and optic technology, and is very powerful for cell biology research. It has been widely used for tracing target protein in living cell as well as selectively controlling precise neural activity patterns within subtypes of cells of the brain for in depth study of neuroscience research. Recently optogenetics has been extended to the study of signal transduction and even be explored for clinical application. Further development of optogenetics will no doubt feasible the study of synthetic physiology. Optogenetics was selected by the journal of Nature Methods as method of the year 2010.

Key words: Optogentics; photo-sensitive protein; photo-activated ion channel; neuron

收稿日期：2011-09-15

通信作者：E-mail: qslin@

“光遗传学”这个名称虽然并不准确，但已经被文献所广泛应用。它是一种技术，将重组DNA 技术与光学技术结合起来，成为细胞生物学研究的有力工具。光遗传学被广泛应用于目标蛋白在细胞内的示踪，更被用来精确地控制脑中特定类型的神经元的活动，从而有助于深入地开展神经科学研究。近年来光遗传学的应用扩展到信号转导的研究，甚至临床实际应用的探索。2011年，学术刊物Nature Methods 将光遗传学选为2010年年度方法[1]。

光遗传学(Optogenetics)是遗传学(重组DNA 技术)与光学相结合的一种细胞生物学研究技术方法。它的应用主要有二个方面：一个是向细胞内引进报告蛋白，也就是将荧光蛋白(发光蛋白)与目

标蛋白融合表达，从而可以方便地在显微镜下被显示、定位与跟踪；另一个是作为控制蛋白，用来调制活组织中靶细胞的专一活动。前者的代表性成果是2008年获得诺贝尔化学奖的“发现与发展绿色荧光蛋白(GFP)”。而后者在神经科学研究上得到愈来愈多的重视。近年来用光来调节细胞信号转导等的研究，更显示了该技术在细胞生物学甚至整体动物的研究上同样很有前途。本文介绍后一方面的应用。

神经科学家是首先开展光遗传学技术来控制细

∙ 评述与综述 ∙

DOI:10.13376/j.cbls/2011.10.018

生命科学第23卷936

胞活动的。大脑有上千亿个神经元。早在1979年和James Watson同获诺贝尔化学奖的Francis Crick 就提出神经科学的主要挑战是如何调控一种细胞而不影响其他细胞。他认为电极太粗糙，插入脑内给予电刺激会影响到插入处的许多神经元，而且电信号也很难精确地中止神经元的兴奋；药物不够专一，而且反应要比神经活动慢得多。他认为光可能能够起调控作用。1999年Crick 提出神经生物学家需要利用分子生物学技术，更需要向分子生物学家要求得到新手段[2]。

虽然小分子可以作为光启动分子，但它们没有组织细胞的专一性。光遗传学的整个技术包括：找到合适的光敏基因并将它导入细胞使细胞有光反应性，建立把光引进深层组织甚至是可移动的哺乳动物活体的方法，以及检测专一光控效应的方法。

光遗传学方法所利用的是一类通过重组DNA 构建的由DNA编码的分子，通常是能在专一细胞表达的光受体(光敏)离子通道。在没有光照的情况下特异表达的光受体不影响表达细胞的生理功能；但在光照下会启动某种细胞的专一的生理功能，从而非常有利于研究活体的生理活动。如果综合应用多种光受体，会非常有助于对某个系统的深入研究[3]。

2002年Miesenböck实验室用光受体蛋白来调控神经活动取得成功[4]。他们为了使光信号受体由DNA编码，表达了含果蝇编码Arrestin-2、光受体视紫红蛋白和同源的三聚体G蛋白的基因。他们称这个构建的基因为“chARGe”基因。如果基因操作时用专一的启动子，仅特定的神经元会有反应。如果基因操作时用病毒载体，则某些环路会有反应。

Miesenböck等的方法虽然新颖，但关系到多个组分，操作并不方便。Deisseroth实验室采用单组分策略，他们试验了细菌视紫红蛋白、藻类光驱动氯离子泵(halorhodopsins)、蓝光激活的离子通道(channelrhodopsins，ChR)等。最终他们将ChR2导入培养的哺乳动物神经元。在用安全的蓝光脉冲时就能精确到毫秒地调控神经元的兴奋。当用激光刺激这些细胞时，研究人员就可以控制专一神经环路的活性。他们研究了哪些细胞在脑内奖赏系统受可卡因的影响，以及对脑的多深的刺激会缓解帕金森病的症状[5,6]。用光导纤维，研究人员可以将光导入至动物，甚至是自由移动的哺乳动物脑的任何部位，开展研究。如将光导纤维与微电极相结合，就能方便地在激发神经元的同时记录电信号变化，从而深入研究神经回路，包括神经环路的组织、细胞活动的图式和行为的因果关系。近来ChR2也被用来刺激小鼠心肌[7]。

2008年Zhang等[8]从藻类Volvox carteri中得到被黄光激活的阳离子通道VChR1，它的激发波长为589 nm，比ChR2红移了约70 nm。联合应用VChR1和其他蓝光激活的离子通道可以同时调控二种不同的神经细胞。深入的研究还得到“快”与“慢”的蓝光激活的离子通道突变体。目前一些实验室在红光激发的离子通道上得到进展。由于红光对组织的穿透性强，很有实用价值。

在研究中有时也会需要抑制神经活动。光遗传学技术通过产生神经元的超极化能做到这一点。用黄光照射通过基因操作在神经元上表达的藻类光驱动氯离子泵就能起到抑制作用。现在一系列天然的与突变的离子通道已被开发，光遗传学技术的工具在不断增加中。在神经科学中的光遗传学技术的贡献与前景可能可以与细胞生物学中的绿色荧光蛋白技术相媲美。它能提供许多有用的信息而不需要非常昂贵的仪器，如功能核磁。而且它与功能核磁的应用是有互补性的。尤为重要的是它提供的神经信息可能更直接，更反映实际。光遗传学技术已经在神经科学研究中起到很大作用。它能够在专一细胞内进行多模态的调控，而这种调控的速度与活体脑生理活动相匹配；它能够显示专一的神经元的活性与所控制的行为的因果关系；它已经帮助我们了解神经系统一些疾病的生物学基础。

光遗传学技术打开了细胞和组织的生物学研究大门。由于光遗传学技术的潜力，它也已开始用于细胞的信号转导研究。2005年Kim等[9]报道将视紫红蛋白的跨膜结构域和α2肾上腺素能受体的胞浆结构域构成嵌合体在HEK293S 细胞表达，结果在光照后细胞内有依赖于光的CAMP的合成。一系列嵌合单组份光遗传学工具也相继被报道，科学家可以在活体哺乳动物的目标细胞中操纵cAMP与肌醇三磷酸CIP3等细胞内信使分子的浓度[10]，也可以用光来调控细胞的一些酶活性。Rac1是个GTP酶，在调节肌动蛋白细胞骨架动力学上起关键作用。Wu等[11]报道若将Rac1的突变体与向光蛋白(phototropin)的光活性结构域LOV融合表达，就会对Rac1产生空间位阻。而光照导致LOV结构域构象变化，就解除了抑制。因此如果用458 nm或473 nm光激活，就可以在活体细胞内时空控制Rac，而Rac的活化或去活化足以导向细胞的运动。光遗传