光遗传学原理及运用

病毒表达
pAAV-hThy1-eArch 3.0-EYFP pAAV-Ef1a-DIO hChR2(H134R)EYFP-WPRE pAAV-Ef1a-DIO eArch 3.0-EYFP
转基因
Thy1-ChR2-eYFP
ai27,ai32,ai35,ai39
Loxp-ChR2-mCherry Loxp-ChR2-eYFP Loxp-Arch-eYFP Loxp-NpHR-eYFP
Ai39+PV-cre
光学操作
Laser LED
套 管
光源控制器
插 芯
光遗传学的发展
Walther Stoeckenius 发现细菌视紫 Karl Deisseroth 光操控用于哺 FDA已批准光
遗传学治疗失
明的临床试验
红蛋白
乳动物
1971
2005
Karl Deisseroth 微生物视蛋白 用于光操控
Ⅱ型视蛋白(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。
质子泵，质子外流 ，引起超极化
光 敏 蛋 白 例 子
光 敏 蛋 白 工 作 原 理 动 图
光遗传学的基本操作
光遗传学
遗传操作
光学Байду номын сангаас制操作
病毒表达或转 基因
光源（激光/LED ） 光纤、跳线等
目录
光遗传学的定义和基本原理 光遗传学的基本操作 光遗传学的发展和研究内容 光遗传学的应用及实例
光遗传学：一项注定要获得诺贝尔奖的技术
大脑装上光控开关假想图 用于光与大脑研究的小鼠
光遗传学的定义和基本原理
遗传学
光遗传 学
光学
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。
肢体功能障碍
用光遗传学的方法治疗疾病
Polygon图案化照明系统
Polygon 400
任性刺激形状编辑，多点、多波 长同时刺激
Polygon图案化照明系统
操作实例
安装简单方便
DLP技术的工作原理
应用实例
输入环路整合
Fishell Research Group New York, New York, USA
研究心脏 细胞干细
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。
胞等功能
光遗传学的应用前景
光遗传学的应用范围
• 利用光遗传学技术解释某些生物现象
神经生物学 分子生物学 医学
操作步骤
病毒表达
Promoter：
promoter opsin
广谱: Syn，Thy1
特异：CamK II, ChAT, GFAP, c-Fos
质粒 AA V病毒
Cre/loxp系统：DIO+cre transgenic mice
病毒注射
pAAV-hSyn-Con/Fon hChR2(H134R)EYFP-WPRE pAAV-hSyn-eNpHR 3.0-EYFP pAAV-CaMKIIa-eNpHR3.0-EYFP pAAV-CamKII-hChR2 (T159C)-p2AEYFP-WPRE
• 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
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
可以极大地缓解由慢性压力引 起的抑郁样症状
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
应用实例
亚细胞结构刺激
University of Western Sydney, Australia
Rice University, Houston
2007
2010
光遗传学技术 的应用得到飞 速发展
2015
光遗传学的发展
图为2005年光遗传学第一次出现开始至今相关的论文数量（来自 Nature Neuroscience，2015，18:1213-1225）
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。
光遗传学的定义和基本原理
光敏蛋白表达
光敏蛋白被光激活
视网膜中的光感受器细胞和视紫红质
光遗传学的定义和基本原理
盐视紫红质(NpHR) 通道视紫红质(ChR)
氯离子泵，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
阳离子内流，引起 去极化
细菌视紫红质(BR)