光遗传学概述 PPT
光遗传学(课堂PPT)
ChR2是一种受光脉冲控制的具有7次跨膜结构的非选择性阳 离子通道蛋白，可以快速形成光电流，使细胞发生去极化反 应。
Channelrhodopsin (Kato et al., 2012)
NpHR是一种受光脉冲控制的具有7次跨膜结构的选择性阴离子 通道蛋白，可以快速形成光电流，使细胞发生超极化反应。
Halorhodopsin (Kouyama etal., 2010)
但是这些视蛋白也不是十全十美，因此科学家又开始寻找新一代的 光遗传学工具。研究人员注意到了这两种新的质子泵：
✓ 离体实验：直接使用过滤光或发光二极 管照射即可。（线虫试验、细胞试验）
✓ 体内实验：体内实验时主要使用激光， 利用光导纤维，研究人员可以精确地将 光导入动物体内，甚至是脑的任何部位 来开展研究。（动物）
3.4 模式动物
光遗传学技术目前研究中比较常用的模式 动物主要有秀丽隐杆线虫、蝇、斑马鱼、小鼠、 大鼠和灵长类动物。
真的有这样的技术，能够用光来控制大脑吗？简短的 答案是，有。但是可能没有电影里表现的那么简单。
1.光遗传学的研究历史
➢ 电压门控通道：电极刺激 缺点：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
➢ 化学门控通道：药物刺激 缺点：药物不够专一，而且反应要比神经活动 慢得多
光遗传学的概念
光遗传学（optogenetics） 技术将光学技术与遗传学技 术相结合，灵感来自视觉通 路，最初主要用于神经科学 研究。
光遗传学医学知识课件
利用光遗传学技术，科学家们把光感蛋 白表达在小鼠的多巴胺能神经元上，然 后在小鼠执行某项任务（比如走到笼子 的一端的平台上）时给予光刺激使多巴 胺能神经元兴奋，从而使小鼠产生愉悦 感。实验表明经过训练后的小鼠会一次 次地去主动完成任务从而获得愉悦感的 奖励。 研究人员先将小鼠神经元改造得对光非 常敏感，然后通过植入的光纤，用蓝色 光照亮位于大脑杏仁核区域的一个特定 神经回路。杏仁核是大脑中应对恐惧、 侵略等基本情绪的核心部位，也是啮齿 类动物控制焦虑的部分。结果显示，这 些本来因恐惧而退缩到角落的小鼠开始 勇敢地探索周围的环境。
Nature Methods杂志在十周年之际推出了纪念特刊， 点评了在过去十年中对生物学研究影响最深的十大技 术，其中就包括光遗传学技术。
诺贝尔奖？
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。
3.光遗传学的研究内容
1.光遗传学工具 2.光遗传学工具导入机体途径 3.光传导工具 4.常用的模式动物
Channelrhodopsin (Kato et al., 2012)
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。
NpHR是一种受光脉冲控制的具有7次跨膜结构的选择性阴离子 通道蛋白，可以快速形成光电流，使细胞发生超极化反应。
Halorhodopsin (Kouyama etal., 2010)
光真的可控大脑吗？
在电影《黑衣人》中，特工处理完外星人出没现场之 后都会掏出一个发光棒，让围观群众“往这儿看”， 然后强光一闪，围观者的短时记忆就被抹去，不再记 得见过奇怪外星生物的经历。
真的有这样的技术，能够用光来控制大脑吗？简短的 答案是，有。但是可能没有电影里表现的那么简单。
光遗传学
光遗传学技术与光起搏：心电生理研究中的新手段[摘要] 光遗传学是2006年提出的一个将光控技术和遗传学技术相结合的新概念，以遗传学技术将光敏感蛋白表达于可兴奋的靶细胞或靶器官上，利用相应波长的光照激活光敏感蛋白以实现对细胞、组织、器官及动物生理功能的精准调控。
该技术于2010年被引入心电生理研究，有离体及在体实验证实利用光遗传学技术实现光起搏心脏的可能性。
研究表明光照刺激可引起心肌细胞电兴奋、恢复心肌细胞电传导、实现心脏再同步化，甚至可以模拟缓慢性、快速性心律失常。
随着光敏感蛋白种类与功能的发掘、其转入心肌细胞方式和锚定心脏靶点多样化的研究，及安全便捷的光照条件和设备的研发，光遗传学技术与光起搏将成为临床心电生理研究及心律失常治疗等的重要新手段。
[关键词] 光遗传学光起搏光遗传学（optogenetics）这一概念由Deisseroth等于2006年首次提出[1]，是指一种将光控技术和遗传学技术相结合用以进行细胞生物学研究的新技术，即将光敏感的离子通道蛋白表达于可兴奋的靶细胞或靶器官上，利用相应波长的光照激活光敏感通道以实现对细胞、组织、器官及动物生理功能的精细调控。
光遗传学技术原理的最初应用源于2002年Zemelman等将光敏感蛋白导入靶细胞进行神经活动的研究[2]，此后光遗传学技术在大脑神经环路、神经功能调控的研究中得到了迅速发展，并于2011年被《Nature Methods》杂志评为2010年度技术[3]。
2010年Arrenberg[4]和Bruegmann[5]先后将光遗传学技术引入斑马鱼及转基因小鼠的心脏节律控制研究，使光遗传学技术成为了心电生理研究的一个新手段[6-10]。
本文拟就光遗传学技术及其在心脏电生理研究中的现状与前景介绍如下。
一、光遗传学技术的原理与实施光遗传学技术转化应用的原理是以特定波长的外源光照射（刺激）激活或抑制表达在哺乳动物细胞或体内的光敏感蛋白，因光敏蛋白活性的改变进而调控靶细胞生物学行为，因此光敏感蛋白是该技术中一个至关重要的元件。
神经疾病与光遗传学
神经疾病与光遗传学神经疾病是一类严重影响人类生活和健康的疾病。
由于神经系统是人体控制和协调各组织器官活动的中枢系统，当神经系统发生异常时，人类的心理、生理和行为都会受到影响。
传统的治疗方法包括手术、药物和放疗等，然而这些方法在治疗一些治疗难度较大的神经疾病方面并不十分有效。
光遗传学作为新型的神经调控方法，有望成为神经疾病治疗的新途径。
一、光遗传学简介光遗传学是近年来快速发展的神经调控和影响神经细胞生理活动的新技术。
光遗传学技术是将自然系统中存在的光敏蛋白为工具，利用光的信号来控制神经元的膜电位，从而影响神经元的活动。
光遗传学技术主要包括光遗传操纵、光遗传学成像和光电子离域光谱等，能够通过定向光刺激和多通道神经激光照射控制神经元的活动。
二、光遗传学在神经疾病治疗方面的应用目前，已有许多研究者在神经疾病治疗方面应用光遗传学技术，取得了一定的成果。
治疗依赖于光遗传学技术的神经疾病包括：帕金森症、抑郁症、焦虑症和癫痫等。
这些疾病的治疗方案不同，但原理相同，均需要利用光遗传学技术对神经细胞进行调节和控制。
例如，帕金森症是一种常见的神经肌肉系统疾病，是由于黑质神经元的缺失，影响了神经肌肉系统的正常活动。
目前，利用光遗传学技术进行帕金森症的治疗，主要是利用深层脑刺激技术，通过选择性激活黑质神经元，对病人的神经肌肉系统产生正面影响，从而达到治疗效果。
类似的，抑郁症、焦虑症、癫痫等神经疾病也可以通过光遗传学技术进行治疗。
具体来说，可以选择一些光感受蛋白，如离子通道蛋白，对神经元进行激光照射或者光敏性核酸操作，通过刺激神经元活动，进而实现治疗效果。
三、光遗传学技术开发和未来发展尽管光遗传学技术已经在神经疾病治疗方面取得一定的进展，但是目前光遗传学技术还存在一些缺陷。
一方面，由于神经元在体内的位置分布相对复杂，光遗传学技术操作难度较大。
另一方面，光遗传学技术在体内照射时，光的穿透能力较差，限制了技术的应用范围。
未来，光遗传学技术需要进一步地开发和完善，从而实现杂乱无章的神经神经元的精确定位。
光遗传学概述
自20世纪70年代光敏蛋白被发现以来 ，光遗传学逐渐发展成为神经科学领 域的重要工具。随着光遗传学技术的 不断完善，其在神经科学研究中的应 用范围也不断扩大。
神经元活动与光刺激关系
光刺激对神经元活动的影响
光刺激可以激活或抑制特定类型的神经元，从而改变神经元的膜电位、动作电 位发放频率等电生理特性。
光遗传学的应用
介绍了光遗传学在神经科学、精神疾病治疗以及认知科学研究等领域 的应用，并探讨了其潜在的临床应用前景。
展望未来发展趋势和应用前景
光遗传学技术的改进
随着技术的不断发展，未来光遗传学技术将更加精确、高 效和安全，例如开发新型光敏蛋白、优化病毒载体设计以 及提高光控设备的性能等。
拓展应用领域
参数
实验观察与记录
观察细胞响应并记录实 验数据，如细胞活性、
基因表达等
注意事项
避免光源对实验环境的 干扰，确保实验结果的
准确性
数据分析与解读方法
数据处理
对实验数据进行整理、统计和分析
图表展示
运用图表等方式直观展示实验结果，便于理 解和交流
结果解读
结合实验目的和背景知识，对实验结果进行 合理解读和讨论
光遗传学概述
汇报人：XX
2024-01-23
• 光遗传学基本概念与原理 • 光遗传学技术方法与应用 • 光遗传学在神经科学研究中的应
用 • 光遗传学在医学领域的应用前景 • 光遗传学技术挑战与未来发展 • 总结与展望
目录
01
光遗传学基本概念与原理
光遗传学定义及发展历程
光遗传学定义
光遗传学是一种结合光学和遗传学技 术，通过光刺激调控特定神经元活动 的研究方法。
伤，提高实验安全性。
学习笔记之光遗传学
学习笔记之光遗传学光遗传学方法研究生物大脑光遗传学（optogenetics），即结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生γ波（gammaoscillations），并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。
概述光遗传学，是研究人员使用一种新的光控方法选择并打开了某种生物的一类细胞。
这也帮助科学家解答一个长期存在的难题，即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。
光遗传学（optogenetics）——结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生γ波（gammaoscillations），并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。
科学研究光影响小白鼠的大脑斯坦福大学的研究人员现在可以使用光来影响小白鼠的大脑，让一只患有帕金森症的小白鼠重新站立起来，甚至是重新走路。
他们把这项技术称之为Optogenetics(opticalstimulationplusgeneticengineering光刺激基因工程/光遗传学)。
这个技术的关键是：科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因，这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应，还能通过自生特性感染类似的细胞。
斑马鱼幼虫细胞中靶向插入光敏开关研究人员在清醒的斑马鱼幼虫的这些细胞中靶向插入光敏开关，结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为—幼虫典型的周期性摆尾。
这项发现可能为人类相关的研究提供一种启发，因为哺乳动物也有类似的细胞。
此外，这项研究也凸现了新技术的亮点，使用光控开关-光栅离子通道并结合基因靶向定位可以轻松研究某一类型的细胞。
人的神经病学疾病研究表明在罹患精神分裂症与其他精神病学与神经病学疾病的患者身上（被扰乱）会出现γ波，光遗传学新工具给予科学家很大的机会来探索这些信号通路的功能。
γ振荡反映出大型互连神经元网路的同步活动，以范围在每秒20-80周期的频率发射。
光遗传optogenetics
Opto genetics光遗传学原理及应用TeoLinc（泰耳光电）光遗传演讲PPT光遗传学基本原理光遗传学基本操作光遗传学应用光遗传学与电生理Karl Deisseroth, M.D., Ph.D.光遗传学之父FENG ZHANG, Ph.D.成功的老板后面有一群成功的学生Opto genetics 2005—2015Opto genetics基本原理光感蛋白表达光感蛋白被光激活光感蛋白470nm 蓝光 兴奋性通道 590nm 、566nm 黄光 抑制性性通道藻类土壤或水体 盐碱古菌 盐湖 光感蛋白Problems of WT ChR2Development of ChR2（E123T）MAX: 200HzProblems of WT NpHR NpHR在内质网内大量堆积Development of NpHRDevelopment of BROpto genetics 基本操作Opto genetics 光学控制操作遗传操作 光源（激光/LED ）光纤、跳线等 病毒表达 或转基因病毒表达病毒注射 promoter opsin 质粒AA V 病毒病毒表达 pAAV-hSyn -Con/Fon hChR2(H134R)-EYFP-WPREpAAV-Ef1a-DIO hChR2(H134R)-EYFP-WPREpAAV-CamKII -hChR2 (T159C)-p2A-EYFP-WPRE pAAV-hThy1-eArch 3.0-EYFP pAAV-hSyn -eNpHR 3.0-EYFP pAAV-CaMKIIa -eNpHR3.0-EYFP pAAV-Ef1a-DIO eArch 3.0-EYFP Promoter ： 特异：CamK II, ChAT, GFAP, c-Fos 广谱: Syn ，Thy1 Cre/loxp 系统：DIO+cre transgenic mice转基因Thy1-ChR2-eYFP ai27,ai32,ai35,ai39Loxp-ChR2-mCherryLoxp-ChR2-eYFPLoxp-Arch-eYFPLoxp-NpHR-eYFPAi39+PV-cre光学操作Laser LED套管光源控制器插芯Opto genetics的应用精确控制特异脑区甄别细胞类型控制特异细胞控制特异环路Optogenetics对海马dCA1进行精确操控Inbal Goshen,et al.,cell,2011Optogenetics对mPFC延时电活动进行精确操控Ding Liu, et al.,science,2014Optogenetics直接证明记忆痕迹的存在记忆存在哪里？记忆是否有痕迹？Xu Liu, et al.,nature,2012Optogenetics研究特异类型细胞功能兴奋性神经元和抑制性神经元（interneuron)posterior dorsal subdivision of medial amygdala(MeApd)Weizhe Hong,et al.,cell,2014Optogenetics研究特异类型细胞功能PV interneuron SOM interneuronSteffen B. E. Wolff,et al.,nature,2014 Matthew Lovett-Barron, et al.,science,2014Optogenetics研究特异环路功能BLA-CeA circuitTye KM,et al.,nature,2011Opto genetics与活体电生理在体多通道记录系统光遗传学系统光电极甄别细胞类型光电一体系统Opto genetics与Patch clamp光感蛋白功能验证是否可以在脑片上研究环路？怎么做呢？Opto genetics与Patch clampPolygon 400任性刺激形状编辑，多点、多波长同时刺激Polygon 400与Patch clamp操作实例安装简单方便BLA Auditory cortex thalamus Hippocampus CA1 CA3 Entorhinal Cortex输入环路整合Hippocampus CA1 CA3 Entorhinal Cortex 470nm 470nm ChR2-mCherry ChR2-eYFP输入环路整合New York, New York, USA亚细胞结构刺激University of Western Sydney, AustraliaRice University, Houston未完待续。
光遗传学介绍
光遗传学介绍
光遗传学是一种利用光来控制神经元或其他细胞类型活动的生物技术。
它结合了遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，从而为研究脑部功能及治疗脑相关疾病提供了新的工具。
光遗传学的基本原理是通过在靶细胞中特异性表达光敏离子通道或泵，使光能激活或抑制这些通道或泵，从而控制细胞的兴奋性。
这个领域的技术利用了基因操作技术，将外源光敏蛋白导入神经元，以在细胞膜上进行光敏通道蛋白的表达。
然后利用特定波长的光照射，激活或关闭光敏通道蛋白，以控制离子通道。
光遗传学技术有许多应用，包括在神经科学研究中选择合适的光敏蛋白以精确控制特定神经元活动，在医学应用中控制一组基因定义的神经元活动以了解它们对决策、学习、恐惧记忆、交配、成瘾、进食和运动的贡献，以及在绘制大脑的功能连接图和确定细胞和大脑区域之间的统计依赖性等方面。
光遗传学自2005年被提出以来，已经取得了许多重要的突破和进展。
例如，研究人员可以通过使用光遗传学技术来绘制大脑的功能连接图，以及通过使用成像和电生理学技术记录其他细胞的活动。
此外，光遗传学还被用于治疗失明和帕金森病等疾病的临床试验。
总的来说，光遗传学是一种强大的技术，为科学家提供了更深入地了解大脑工作机制的新工具，也为治疗脑相关疾病提供了新的可能性。
光遗传学
光遗传学工具导入机体途径
1.基因重组技术
2.病毒载体
主要应用为慢病毒
光传导工具
离体实验：直接使用过滤光或发光二极 管照射即可。 体内实验：体内实验时主要使用激光， 利用光导纤维，研究人员可以精确地将 光导入动物体内，甚至是脑的任何部位 来开展研究
模式动物
光遗传学技术目前研究中比较常用的模 式动物主要有秀丽隐杆线虫、蝇、斑马鱼、 小鼠、大鼠和灵长类动物。 这些动物普遍具有发育和繁殖周期短、外 源基因整合较容易的特点，这样有利于导入 光敏蛋白基因并根据表达的状态进行筛选。
Optogenetics
光遗传学的概念
“光遗传学” 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。
光遗传学的概念
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 一个是向细胞 内引进报告蛋 白，也就是将 荧光蛋白( 发光
利用光遗传学技术，科学家们把 光感蛋白表达在小鼠的多巴胺能 神经元上，然后在小鼠执行某项 任务（比如走到笼子的一端的平 台上）时给予光刺激使多巴胺能 神经元兴奋，从而使小鼠产生愉 悦感。实验表明经过训练后的小 鼠会一次次地去主动完成任务从 而获得愉悦感的奖励。
Designing optogenetic experiments to study brain disease
光遗传学的研究内容
1.光遗传学工具 2.光遗传学工具导入机体途径 3.光传导工具 4.常用的模式动物
光遗传学工具
神经元抑制型光遗传学工具 cation-permeable channels for membrane depolarization (such as channelrhodopsins (ChRs proton pumps (such as bacteriorhodopsin or proteorhodopsin (BR/PR)) 生化控制型光遗传学工具 light-activated membrane-bound G protein-coupled (OptoXR)
光遗传学利用光遗传学技术研究神经系统功能与疾病
光遗传学利用光遗传学技术研究神经系统功能与疾病光遗传学是一种通过遗传的方式操纵动植物细胞中的光敏蛋白，进而控制细胞活动的技术。
近年来，光遗传学已经被广泛应用于研究神经系统功能与疾病，为神经科学的发展带来了革命性的突破。
一、光遗传学技术的原理和应用光遗传学技术通过将光敏蛋白基因导入目标神经细胞，使其能够产生光敏的反应。
这些光敏蛋白包括视蛋白、光探测蛋白和离子通道蛋白，能够在光刺激下改变细胞的膜电位，从而影响神经细胞的活动。
光遗传学技术主要通过两种方式实现神经元的光激活和光抑制。
一种是利用离子通道蛋白如ChR2、NpHR等，光激活或光抑制神经元的电活动；另一种是利用光诱导酶如LOV蛋白，光诱导特定基因的转录和翻译。
通过光遗传学技术，研究人员可以精确地操纵特定神经元的活动，控制神经电活动的时序、空间和频率。
这使得科学家们能够深入探索神经回路的功能和行为行为相关的神经机制。
二、光遗传学在神经系统功能研究中的应用1. 神经元识别和连接关系研究。
通过光遗传学技术可以标记特定神经元亚群体，识别神经元的类型和位置。
同时，研究人员还可以利用光遗传学技术调控神经元连接关系，解析神经回路的组织和功能。
2. 神经传导研究。
光遗传学技术可以模拟或抑制神经元之间的突触传导，研究突触传递机制和神经电活动的调控过程。
这对于揭示神经信号传导的原理和调控机制具有重要意义。
3. 行为学研究。
通过光遗传学技术可以实现对动物行为的精确控制。
例如，利用光遗传学技术可以激活或抑制特定神经元群体，观察其对特定行为的影响，进而揭示行为和神经机制之间的关系。
三、光遗传学在神经系统疾病研究中的应用1. 精神类疾病研究。
光遗传学技术可以模拟疾病相关基因突变，研究特定基因突变对神经系统功能的影响。
这有助于理解精神类疾病的发生机制，并为相关药物的研发提供新的靶点。
2. 癫痫和帕金森病研究。
光遗传学技术可以通过光激活或光抑制神经元活动，探索癫痫和帕金森病等神经系统疾病的发病机制。
光遗传学概述ppt课件
光遗传学的应用前景
2009年初，科研人员借助哺乳动物大脑组织里
的维甲酸类物质并利用维甲酸的信号分子在黑暗环
分
境火星低的特点，对活体哺乳动物体内的G蛋白偶
子
联受体信号通路进行了光控操作。这次试验中使用
生
的是脊椎动物视紫红质蛋白——G蛋白偶联受体嵌 合体蛋白，这种嵌合体蛋白可以恢路Gs和Gq调控的细胞信号通路。随后，
.
光遗传学的发展
.
光遗传学的应用前景
光遗传学的应用范围
神经生物学 分子生物学
医学
• 利用光遗传学技术解释某些生物现象 • 利用光遗传学技术对哺乳动物行为进行 调控
靶向研究不同种类细胞的生命活动和 功能
改善或治愈某些因神经系统功能障 碍所引起的疾病
.
光遗传学的应用前景
解释某些生物现象
2005 年Nagel 等发 现被ChR2 重组的线 虫， 其肌肉壁运动神 经元和动力感觉神经 元的活性是可控的在 斑马鱼躯体感觉神经 元中的重复实验也表 明， 光激活下该神经 元的反应驱动斑马鱼 产生的游泳行为与通 常的逃避行为很类似。
类蛋白。
.
光遗传学的定义和基本原理
光遗传学是一种将遗 传学和光控技术结合 的新的学科门类。
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光遗传学的定义和基本原理
光遗传专题
6.Record electrophysiological and behavioural results
光敏蛋白被光激活
7
3.
激活神经元的通道蛋白
ChR2
野生型ChR2，是一 种在单细胞蓝藻中 存在的感光蛋白,其 在细胞膜上形成阳 离子通道。当表达
ChR2 (H134R)
ChR2的突变体，将 第134个氨基酸由 组胺酸突变为精胺 酸，该蛋白质可以 产生两 倍的光电流，
光遗传学的研究内容研究和改造各种视蛋白作为光遗传学的重要工具寻找符合要求且效率高的视蛋白十分重要研究心脏细胞干细胞等功能光遗传学的方法不仅可以用来研究神经细胞也能用来研究其他细胞的功能研究神经回路和功能研究神经细胞的功能是控制大脑的必经之路另外了解并控制其功能有望治愈多种神经方面的疾病10光遗传学的应用前景神经生物学利用光遗传学技术对哺乳动物行为进行调控分子生物学靶向研究丌同种类细胞的生命活动和功能医学改善或治愈某些神经系统功能障碍所引起的疾病11光遗传学的应用前景疾病神经受损肢体功能障碍植入运动神经元的拟胚视网膜疾病部分眼疾相应视蛋白代替视网膜细胞脑细胞退化老年痴呆症遗传光学方法提高细胞活性选择性激活vta多巴胺神经元肢体功能障碍可极大地缓解由慢性压力引起的抑郁症状12
神经元细胞膜上 的高量聚集。
9
5.
光遗传学的研究内容 研究和改造种视蛋白
作为光遗传学的重要工具，寻找符合要求且效率
高的视蛋白十分重要
研究心脏细胞干细胞等功能
光遗传学的方法不仅可以用来研究神经细胞， 也能用来研究其他细胞的功能
研究神经回路和功能
研究神经细胞的功能是控制大脑的必经 之路，另外了解并控制其功能有望治愈 多种神经方面的疾病
3
1.
光遗传optogenetics
Opto genetics光遗传学原理及应用TeoLinc（泰耳光电）光遗传演讲PPT光遗传学基本原理光遗传学基本操作光遗传学应用光遗传学与电生理Karl Deisseroth, M.D., Ph.D.光遗传学之父FENG ZHANG, Ph.D.成功的老板后面有一群成功的学生Opto genetics 2005—2015Opto genetics基本原理光感蛋白表达光感蛋白被光激活光感蛋白470nm 蓝光 兴奋性通道 590nm 、566nm 黄光 抑制性性通道藻类土壤或水体 盐碱古菌 盐湖 光感蛋白Problems of WT ChR2Development of ChR2（E123T）MAX: 200HzProblems of WT NpHR NpHR在内质网内大量堆积Development of NpHRDevelopment of BROpto genetics 基本操作Opto genetics 光学控制操作遗传操作 光源（激光/LED ）光纤、跳线等 病毒表达 或转基因病毒表达病毒注射 promoter opsin 质粒AA V 病毒病毒表达 pAAV-hSyn -Con/Fon hChR2(H134R)-EYFP-WPREpAAV-Ef1a-DIO hChR2(H134R)-EYFP-WPREpAAV-CamKII -hChR2 (T159C)-p2A-EYFP-WPRE pAAV-hThy1-eArch 3.0-EYFP pAAV-hSyn -eNpHR 3.0-EYFP pAAV-CaMKIIa -eNpHR3.0-EYFP pAAV-Ef1a-DIO eArch 3.0-EYFP Promoter ： 特异：CamK II, ChAT, GFAP, c-Fos 广谱: Syn ，Thy1 Cre/loxp 系统：DIO+cre transgenic mice转基因Thy1-ChR2-eYFP ai27,ai32,ai35,ai39Loxp-ChR2-mCherryLoxp-ChR2-eYFPLoxp-Arch-eYFPLoxp-NpHR-eYFPAi39+PV-cre光学操作Laser LED套管光源控制器插芯Opto genetics的应用精确控制特异脑区甄别细胞类型控制特异细胞控制特异环路Optogenetics对海马dCA1进行精确操控Inbal Goshen,et al.,cell,2011Optogenetics对mPFC延时电活动进行精确操控Ding Liu, et al.,science,2014Optogenetics直接证明记忆痕迹的存在记忆存在哪里？记忆是否有痕迹？Xu Liu, et al.,nature,2012Optogenetics研究特异类型细胞功能兴奋性神经元和抑制性神经元（interneuron)posterior dorsal subdivision of medial amygdala(MeApd)Weizhe Hong,et al.,cell,2014Optogenetics研究特异类型细胞功能PV interneuron SOM interneuronSteffen B. E. Wolff,et al.,nature,2014 Matthew Lovett-Barron, et al.,science,2014Optogenetics研究特异环路功能BLA-CeA circuitTye KM,et al.,nature,2011Opto genetics与活体电生理光电极在体多通道记录系统光遗传学系统光电一体系统甄别细胞类型Opto genetics与Patch clamp光感蛋白功能验证是否可以在脑片上研究环路？怎么做呢？Opto genetics与Patch clampPolygon 400任性刺激形状编辑，多点、多波长同时刺激Polygon 400与Patch clamp操作实例安装简单方便BLA Auditory cortex thalamus Hippocampus CA1 CA3 Entorhinal Cortex输入环路整合Hippocampus CA1 CA3 Entorhinal Cortex 470nm 470nm ChR2-mCherry ChR2-eYFP输入环路整合Fishell Research GroupNew York, New York, USA亚细胞结构刺激University of Western Sydney, AustraliaRice University, Houston未完待续。
光遗传学系统
光遗传学系统1. 介绍1.1 什么是光遗传学系统光遗传学系统是一项正在快速发展的生物学技术，结合了光学和遗传学的原理，用于研究和操作生物体的遗传信息。
通过使用光遗传学系统，科学家可以精确地控制生物体的基因表达，并可实现对其行为、功能和特性的精确控制。
1.2 光遗传学系统的原理光遗传学系统主要基于两个关键技术：光受体及其信号转导与光敏效应器。
光受体是一类能感受到光信号并将其转化为细胞内化学信号的蛋白质，常见的光受体包括光激酶、光敏酶、嵌合型光敏酶等。
这些光受体能够在接收到适当波长的光照后改变构象，从而激活或抑制其相关的信号通路。
光敏效应器则是通过受体识别光信号后激活的一类蛋白质或酶，常见的光敏效应器包括调节离子通道的蛋白质、激活酶酶活性的光敏酶等。
这些光敏效应器可以通过光信号的输入来调节细胞内相关的生物过程，如离子通道的开关、转录因子的激活等。
2. 应用领域2.1 光遗传学系统在神经科学中的应用光遗传学系统在神经科学领域中得到了广泛应用。
通过将光受体和光敏效应器导入到神经细胞中，科学家可以精确地控制神经元的兴奋或抑制状态，实现对神经活动的精确调控。
这种方法被广泛应用于研究学习记忆、行为选择、情绪调节等神经科学问题，并有望为神经系统疾病的治疗提供新的方法和思路。
2.2 光遗传学系统在生理学研究中的应用光遗传学系统在生理学研究中也发挥着重要的作用。
通过将光受体和光敏效应器导入到特定细胞或组织中，科学家可以精确地控制相关生理过程的活性，例如调节肌肉的收缩、调控心脏节律等。
这为疾病治疗和药物研发提供了新的思路和工具。
2.3 光遗传学系统在遗传工程中的应用光遗传学系统还可以用于遗传工程中。
通过利用光敏效应器对基因表达的精确调控，科学家可以实现对特定基因的启动或抑制，从而实现对生物体特性的精确控制。
这在合成生物学领域和农业生产中具有重要的应用前景。
3. 光遗传学系统的发展前景光遗传学系统的发展前景广阔。
当前，光遗传学系统正处于迅速发展的阶段，各种新型光受体和光敏效应器被不断发现和优化。
光遗传学技术原理和方法
光遗传学技术原理和方法1.引言光遗传学技术是一种利用光敏蛋白质来控制生物体内特定细胞或组织的活性的研究工具。
该技术通过光的刺激来触发细胞内的光敏蛋白，从而实现对生物过程的精确调控。
本文将介绍光遗传学技术的基本原理和常用方法。
2.基本原理光遗传学技术的基本原理是利用光敏蛋白质的光感受性，通过激活或抑制细胞内特定信号通路的活性来实现对生物体的调控。
光敏蛋白质可分为激活型和抑制型两类。
激活型光敏蛋白受到光的刺激后会改变其构象和功能，从而激活相关的信号通路；抑制型光敏蛋白则会在光的刺激下发生转变，导致信号通路的抑制。
3.常用的光遗传学技术方法3.1光遗传学工具的选择选择合适的光敏蛋白质是进行光遗传学研究的首要任务。
常用的光敏蛋白包括光激活离子通道（C ha nn el rh od o ps in）和光敏酶（P ho to tr op in）等。
研究者可以根据实验需求，选择与自己研究物种相适应的光敏蛋白。
3.2光遗传学技术的基本步骤光遗传学技术的基本步骤包括引入光敏蛋白质基因、光刺激、观察和分析等。
3.2.1引入光敏蛋白质基因首先需要将光敏蛋白质基因导入到目标细胞或组织中。
这可以通过基因转染、病毒转染或基因编辑等方法实现。
选择合适的引入方式取决于研究的具体要求以及目标生物体的特性。
3.2.2光刺激在成功引入光敏蛋白质基因后，可以利用光源对目标细胞或组织进行刺激。
合适的光源和光刺激参数取决于所使用的光敏蛋白的特性以及研究需要。
3.2.3观察和分析通过显微镜等观察手段，可以观察到光刺激对目标细胞或组织的影响。
进一步的分析则可以通过细胞生理学实验、行为学实验等方法来进行。
3.3光遗传学在研究中的应用光遗传学技术在生命科学研究中有着广泛的应用。
它可以用于研究神经科学、细胞生物学、发育生物学等多个领域。
通过光遗传学技术，研究者可以精确操控生物体内的特定细胞或组织，从而研究其功能和相互作用等方面。
4.结论光遗传学技术通过操控光敏蛋白质在生物体内的表达和活性，为研究者提供了一种精确调控生物过程的方法。
光遗传学ppt课件
心律失常。。。
2010年，Bruegmann等的报道使利用光遗传学技术开展心电生理 研究心律失常防治甚至模拟心脏再同步化(CＲT)改善心功能成 为可能，使光遗传学技术为起搏心脏提供了一种新手段，即光 起搏(optical pacing)。
这些动物普遍具有发育和繁殖周期短、外 源基因整合较容易的特点，这样有利于导入光 敏蛋白基因并根据表达的状态进行筛选。
4.光遗传学的研究与进展
戒瘾，抗抑郁，抗焦虑。。。
利用光遗传学技术，科学家们把光感蛋 白表达在小鼠的多巴胺能神经元上，然 后在小鼠执行某项任务（比如走到笼子 的一端的平台上）时给予光刺激使多巴 胺能神经元兴奋，从而使小鼠产生愉悦 感。实验表明经过训练后的小鼠会一次 次地去主动完成任务从而获得愉悦感的 奖励。 研究人员先将小鼠神经元改造得对光非 常敏感，然后通过植入的光纤，用蓝色 光照亮位于大脑杏仁核区域的一个特定 神经回路。杏仁核是大脑中应对恐惧、 侵略等基本情绪的核心部位，也是啮齿 类动物控制焦虑的部分。结果显示，这 些本来因恐惧而退缩到角落的小鼠开始 勇敢地探索周围的环境。
光遗传学
contents
1.光遗传学的研究历史 2.光遗传学的概念 3.光遗传学的研究内容 4.光遗传学的研究与进展
记忆消除棒
光真的可控大脑吗？
在电影《黑衣人》中，特工处理完外星人出没现场之 后都会掏出一个发光棒，让围观群众“往这儿看”， 然后强光一闪，围观者的短时记忆就被抹去，不再记 得见过奇怪外星生物的经历。
周围神经损伤、瘫痪。。。
过去研究人员曾尝试在瘫痪病人的神经元周围植入电极，利用程序控制激活电极中 的电脉冲，从而使患者恢复丧失的运动功能。但通常这种行走仅能维持几分钟。这 是因为粗神经纤维比细神经纤维对电刺激更敏感，因此肌肉以错误的顺序发生收缩， 即先发生快抽搐粗肌纤维收缩，然后才发生慢抽搐细肌纤维收缩，从而导致抽筋及 快速的肌肉疲劳。
光遗传学的基本原理及其在生物活动调控中的应用
光遗传学的基本原理及其在生物活动调控中的应用光遗传学被认为是近年来生物学领域的一项重大突破，它的发现和应用为我们解开了许多生物领域的难题，并带来了相当大的创新性。
本文主要介绍光遗传学的基本原理及其在生物活动调控中的应用。
一、光遗传学的基本原理光遗传学是指运用光敏感基因或光敏感蛋白来控制或调节生物体内的某些生理或行为反应，实现对生物体功能进行控制，从而用于相关技术的新研究方法。
其基本原理主要依靠两种方式，即光激活禁止或开启特定基因或者蛋白，以及利用光来改变细胞内离子、电位等物理化学参数。
1. 光激活禁止或开启基因和蛋白在光遗传学的原理中，最常用的是使用基因转移的方法，通过将外源性光敏感基因或蛋白表达到生物细胞中，以实现对特定基因或蛋白的激活或抑制。
光激活禁止或开启基因或蛋白的原理在于，特定基因或蛋白在不同的光照强度或光谱波长下具有不同的功能状态，从而实现对生物表型的调节。
2. 光调节细胞内物理化学参数光调节细胞内物理化学参数是光遗传学另一重要的基本原理，它主要是利用染色质光激发和电刺激等技术，通过激发细胞内化学反应产生光化学作用，进而实现离子和离子通道的调节。
这种光调节细胞内电位或离子浓度的方法在神经科学、心脏病学等领域有广泛的应用。
二、光遗传学的应用作为最新兴起的技术之一，光遗传学广泛应用于生物活动调控、生物医学等领域。
在线粒体机能、神经退行性疾病、肿瘤治疗等领域中，光遗传学都有着广泛的应用。
1. 生物活动调节光遗传学在生物活动调节方面的应用颇为广泛。
在神经科学中，研究人员通过光敏感信号传递法，实现了对神经元的光遗传学调控和异位光激活。
在心脏病学中，利用光遗传学技术，研究人员成功地控制了心脏的兴奋传导，进而通过对致命性心律失常的预防和治疗作出贡献。
2. 基因调控光遗传学对于基因调控方面的研究也具有重大意义。
在生长新陈代谢方面，光遗传学的出现极大地促进了体内代谢途径的研究，也为基因工程、难点突破等研究方向提供了新的可能性。
光遗传学通过光敏色素实现基因表达控制
光遗传学通过光敏色素实现基因表达控制光遗传学是一门研究利用光敏色素通过光照来实现基因表达控制的领域。
随着人们对生物学的深入研究和技术的不断进步，光遗传学作为一种新兴的基因表达调控技术，为科学家们提供了新的工具来研究生物体内部的功能和机制。
光敏色素是一类可以感知光照并与之相互作用的化合物。
在生物体内，光敏色素具有吸收和转化光能的特性。
通过结构上的变化，光敏色素能够激活或抑制DNA的转录，从而控制基因的表达。
这种通过光敏色素实现基因表达控制的方式，被称为“光遗传学”。
光遗传学技术的基本原理是将光敏色素基因与目标基因相连，并将其导入到生物体内。
当受到特定波长的光照射时，光敏色素会发生构象变化，从而将信号传递给目标基因，使其启动或抑制转录活性。
通过这种方式，科学家可以精确调控目标基因的表达水平。
光遗传学技术在生物学研究中具有广泛的应用价值。
首先，光遗传学技术可以用来研究基因在发育过程中的时空表达模式。
通过控制特定时期和特定位置的光照，科学家们可以观察到基因在生物体内的活动方式，从而揭示基因在发育过程中的功能和调控机制。
其次，光遗传学技术可以应用于基因治疗研究。
通过将光敏色素基因导入患者的细胞中，并通过特定波长的光照来激活或抑制目标基因的表达，科学家们可以精确控制治疗效果和副作用。
这种基因治疗方法具有高度的选择性和可控性，可以最大程度地降低对患者其他正常组织的损害，具有广阔的应用前景。
此外，光遗传学技术还可以在神经科学研究中发挥重要作用。
通过控制光敏色素的表达，科学家们可以精确操控神经元的活动状态，进而研究神经系统的功能和调控机制。
这项技术被广泛应用于光遗传学研究的先驱科学家赢得了多次奖励，因为它们推动了神经科学领域的重大突破。
然而，光遗传学技术仍然面临一些挑战和限制。
首先，光遗传学技术的组合效应和偏向性较强，可能会对基因表达造成不可预知的影响。
其次，目前光敏色素的选择仍然有限，科学家们需要更广泛地探索和开发新的光敏色素。
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通
II型融合蛋白称为optoXR，可用以对细胞内信号传
路
导过程进行光学调控，其时间分辨率足以允许应用
于自由运动小鼠行为状态下的神经元活动。运用这
的
种方法可以实现多巴胺受体的、5一羟色胺受体的、
调
肾上腺素受体的作用，从而在神经传递的调制中发
控
挥重要作用
光遗传学的研究内容
作为光遗传学的重要工具，寻 找符合要求且效率高的视蛋白 研究和改造 十分重要。 各种视蛋白
研究心脏细胞 干细胞等功能
光遗传学的方法不仅可以用 来研究神经细胞，也能用来 研究其他细胞的功能。
研究神经 回路和功能
研究神经细胞的功能是控制 大脑的必经之路，另外了解 并控制其功能有望治愈多种 神经方面的疾病。
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
光遗传学的发展
光遗传学发展的时间轴
• 通过转染、病 毒转导或构建 转基因动物等 方式将编码这 些视蛋白的基 因输送进目的 细胞
• 时间上的调控是 利用持续光源搭 配高速快门、快 速转换的LED或 单光子激光扫描 显微镜等进行宽 视野照射来达到 目的
• 空间上的调控是 通过选择性的照 射细胞局部的方 法实现的
• 电极是一种常 用的膜电位监 测工具
• 也可利用各种 依赖荧光生物 感受器来检测 输出信号
• 对于生物体也 可检测行为改 变
➢寻找合适的视蛋白
➢往受体细胞内输送视蛋白 ➢对光信号进行时空调 ➢收集输出信号，读取
基因
控
结果
光遗传学上控制细胞功能的步骤
光遗传学的定义和基本原理
通道视紫红质 (ChR)
阳离子内流引起去 极化
盐视紫红质 (NpHR)
光遗传学概述
目录
1 光遗传学的定义和基本原理
2
光遗传学的研究内容
3
光遗传学的发展
4
光遗传学的应用前景
光遗传学的定义和基本原理
遗传学
光学
基因工程
光遗传 学
通过基因工程技术使受体细胞产生视蛋白， 来实现对细胞的光学控制，即通过光来激活 或抑制某种细胞从而明确其功能。
光遗传学的定义和基本原理
• 可以是天然蛋 白(如视紫红 质蛋白)，也 可以是经化学 修饰后的对光 敏感的人工改 造蛋白
光遗传学是一种将遗 传学和光控技术结合 的新的学科门类。
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学
又有好几个实验室用几种不同的新实验方法成功对
体外培养细胞内的小GTP酶进行了光控试验，从而
成功地用光控的方法改变了细胞的形状和运动活力。
光遗传学的应用前景
疾病
选择性激活VTA多巴胺神经元
视网膜出了问题
病因是脑细胞退 化
神经损伤
抑郁症 部分眼疾 老年痴呆症 肢体功能障碍
可以极大地缓解由慢性压力引起的 抑郁样症状
光遗传学的应用前景
2009年初，科研人员借助哺乳动物大脑组织里
的维甲酸类物质并利用维甲酸的信号分子在黑暗环
分
境火星低的特点，对活体哺乳动物体内的G蛋白偶
子
联受体信号通路进行了光控操作。这次试验中使用
生
的是脊椎动物视紫红质蛋白——G蛋白偶联受体嵌 合体蛋白，这种嵌合体蛋白可以恢复受异源G蛋白
物
三聚体信号通路Gs和Gq调控的细胞信号通路。随后，
用相应视蛋白代替视网 膜细胞
用遗传光学的方法 提高细胞活性
植入运动神经 元的拟胚
用遗传光学的方法治疗疾病
Thank You!
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光遗传学的定义和基本原理
细
胞
其一般性原理是制作嵌合体(chimera)，一方面
信
是脊椎动物的视紫红质，另一方面是通常的、配基
号
耦合的G蛋白偶联受体(GPCR)。这样组合以 后．GPCR就相当于单成分的神经调控工具。这种
离子泵，氯离子内 流，引起超极化
视蛋白：实现光开 关的关键部分，它 充当着离子通道或
离子泵的角色
细菌视紫红质
(BR)
质子泵，质子外流 ，引起超极化
Ⅱ型视蛋 (optoXR)
必须偶联到一种转导蛋白 上才能实现对光反应。一 般用来调控信号通路。哺 乳动物视网膜上的视紫红
质就是此类蛋白。
光遗传学的定义和基本原理
解释某些生物现象
2005 年Nagel 等发 现被ChR2 重组的线 虫， 其肌肉壁运动神 经元和动力感觉神经 元的活性是可控的在 斑马鱼躯体感觉神经 元中的重复实验也表 明， 光激活下该神经 元的反应驱动斑马鱼 产生的游泳行为与通 常的逃避行为很类似。
调控哺乳动物的 行为
在转基因小鼠中双重组ChR2 和eNpHR 后的一系列细胞神经 元（例如下丘脑分泌素细胞、 蓝斑核去甲肾上腺素激活神经 元、VTA 腹侧被盖区多巴胺神 经元、棘神经元以及类胆碱能 中间神经元）可以利用光波对 这些神经元的活性进行精确控 制； 该技术的可控性已经应用 到小鼠的睡眠与觉醒、多巴胺 上瘾机制、奖赏机制以及可卡 因依赖症等诸多方面，并取得 了突破性进展。
1971
2005
2007
2010
光遗传学的发展
光遗传学的发展
光遗传学的应用前景
光遗传学的应用范围
神经生物学 分子生物学
医学
• 利用光遗传学技术解释某些生物现象 • 利用光遗传学技术对哺乳动物行为进行 调控
靶向研究不同种类细胞的生命活动和 功能
改善或治愈某些因神经系统功能障 碍所引起的疾病
光遗传学的应用前景