光遗传专题

ChR2 (C128S/D15 6A)
ChR2的突变体， 超灵敏光敏感通 道，用蓝色激光 打开通道，然后 用绿色或 黄色激 光关闭通道，可 以打开其离子通 道长达30分钟
ChR2(E12 3T/T159C)
ChR2的突变体， 更大的光电流和 更快的动力学变 化
ChETA
ChR2的突变体， 使得神经元在激 光刺激下可以发 放200Hz的spike， 而其他的ChR2 通道 蛋白只能达 到40Hz
寻找合适的光敏蛋白
向靶细胞内导入光敏蛋白基因
通过病毒转导、 转染、 转基因动物等方式将光敏蛋白的遗传信息传递给 靶细胞

对光信号进行时空调控

采用导入光纤或控制激光的方式将光导入研究区域选择不同的参数（ 波 长、光强度、频率和占空比）进行光刺激，来达到对神经元活动的时间 调控； 通过选择性地照射细胞局部的方法来实现对神经元活动的空间调控。
C1V1
由 ChR1 及由团藻 发 现 的 VChR1 组 合在一起的通道 蛋白，在红色激
ChR2的细胞受到蓝
光照射时,通道开放, 导致细胞去极化。
但通道开关速度也
比野生的ChR2慢了 一倍
光刺激下打开通
道
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4.
抑制神经元的通道蛋白
NpHR
第一个被发现的 有效抑制神经元 活动的光遗传学 工具，会在黄绿 激光照射下会将 氯离子打进神经 元内，而抑制神 经元活动。但 NpHR 在 哺 乳 动 物脑内表达时， 会聚集在内质网
6.Record electrophysiological and behavioural results
光敏蛋白被光激活
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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，
Mac
蓝 Copy 色激 paste 光激 fonts. 活的 质 Choose 子泵， the 能 only 够将 带 option 正电的 to 质 retain 子从 神经元 text. 内移动到 细胞外环境中， 使神经元保持超 极化状态，从而 保证神经元处于 静息状态，使用 的较少
上表达，不能在
收集输出信号，读取结果
采用电极记录神经元细胞膜内外的电压变化，并可用荧光性生物传感器来检测 不同细胞数值，通过电生理记录或行为学测试等方法，将光刺激对神经元、神 经回路或动物行为的改变呈现出来。
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2.
光遗传学的研究步骤
光遗传学
遗传操作
光学控制操作
病毒表达或转基因
光源（激光/LED） 光纤、跳线等
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光遗传学
吉满生物
01
光遗传学介绍 光遗传学的研究步骤
content
01
02 03
激活神经元的通道蛋白
抑制神经元的通道蛋白 光遗传学的研究内容 光遗传学的应用前景
04
05 06
1.
光遗传学介绍
光遗传学（Optogenetics ）是 结合了光学（ Optics ）及遗传学 （ Genetics ）的技术，能在活体 动物甚至是自由运动的动物脑内， 精准地控制特定种类神经元的活 动。光遗传学在时间上的精确度 可达到毫秒级别，在空间上的精 确度则能达到单个细胞级别。 2010年，光遗传学被Nature Methods 选为年度方法，同年被 Science认为是近十年来的突破之 一。 这项技术目前在神经科学领 域应用非常广泛，未来可能会应 用于多种神经和精神疾病的治疗， 如帕金森氏病、阿尔茨海默病、 脊髓损伤、精神分裂症等
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1.
光遗传学介绍
遗传学
光学
光遗传学
一、将光敏感的分子或光敏感的离子通道转移到神经细胞里面； 二、用光来照射这个神经细胞使神经细胞被激活或抑制。
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2.
光遗传学的研究步骤
光敏蛋白可分为激活型和抑制型两种， 能够引起神经元兴奋或抑制 起兴奋神经元作用的Channelrhodopsin-2（ ChR2） 起抑制神经元作用的Halorhodopsin（ NpHR）和Archaerhodopsin（ Arch）
2.
光遗传学的研究步骤
2.Inset construct virus 3.Inject virus into animal brain，opsin is expression in targeted neurons
1.Piece together genetic construct
Promoter to drive expression
Gene encoding opsin (light-sensitive ion channel)
光敏蛋白表达
4.Insert ‘optrode’,fibre-optic cable plus electrode
5.Laser light of specific wavelength opens ion channel in neurons
神经元细胞膜上 的高量聚集。
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5.
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
Arch
一种黄色激光激活 Copy paste fonts. 的外向整流质子泵， Choose the only 能够将带正电的质 option to retain 子从神经元内移动 到细胞外环境中， text. 使神经元处于超极 化状态，从而保证 神经元处于静息状 态。在特定条件下， 可用于增加细胞内 pH或减少细胞外基 质 pH 。和 NpHR 相 比，当激光关闭的 时候， Arch 立即从 通道打开状态恢复 到关闭状态
eNpHR2.0
将 Copy 内质 paste 网 输fonts. 出元 件 Choose 加 在 NpHR the only 基 因 option 序列后 to面 retain ，这 样可使 text. 得 NpHR 在胞内高量表达
eNpHR3.0
将 Copy 一个 paste 高 尔fonts. 基体 输 Choose 出元件 the 和来 only 自 于 option 钾 离to 子 retain 通道 Kir2.1的上膜元件 text. 加在eNpHR2.0基 因序列后面，实 现了神经元细胞 膜上的高量聚集， 是 NpHR 系 列 中 效果最好的
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
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6.
光遗传学的应用前景
神经生物学
• 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
分子生物学
• 靶向研究不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
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ຫໍສະໝຸດ Baidu.
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