光遗传学 ppt课件
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在光遗传学试验中，研究人员能够在感兴趣的能调控电信号的 靶细胞上表达来自视蛋白的光学门控离子通道（lightgatedionchannels）
比如视紫红质通道蛋白2（channelrhodopsin-2，ChR2）和嗜盐 菌紫质（halorhodopsin，NpHR）一类的视蛋白都已经成为了神 经生物学实验室中的常用蛋白。科学家可以分别利用蓝光和红 光来激活（去极化）或抑制（超极化）一系列的经过遗传改造 的神经元细胞。
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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
2
3
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。
Halorhodopsin (Kouyama etal., 2010) 12
13
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： 来自苏打盐红菌（Halorubrumsodomense，古细菌）的Arch蛋白 来自油菜黑胫病真菌（Leptosphaeriamaculans）的Mac蛋白
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2.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。
美国斯坦福科学家 Karl Deisseroth
6
Nature Methods杂志评选出的2010年度研究方法—— 光遗传学（optogenetics）。
Delp实验室制成了一种“光电极”，是由极小的发光二极管组成，能将其放置在 生物工程动物坐骨神经周围。发光二极管发射高强度的蓝光深入穿透到神经元里， 所有的神经纤维均可接收到来自发光二极管短脉冲的充分刺激。研究人员发现光 刺激使肌纤维重新产生正常的放电，诱导发生了与自然条件下一致的肌肉收缩。
“光刺激20分钟后，肌肉还保持了三分 之一的最大应力，而电刺激仅在一小会 后就恢复了平台期，电刺激在4分钟内使 得相同的肌肉完全疲劳，”Llewellyn说： “此外，光刺激更易于启动肌肉的收缩， 且主要是作用于慢抽搐肌纤维，而不是 快抽搐肌纤维。而电刺激则可相等地诱导 两种肌肉类型。”
19
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。
20
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)。
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。
4
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
10
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。
nnelrhodopsin (Kato et al., 2012)
11
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。
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3.2 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
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3.3 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。（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）
这两种分子相比传统的视蛋白具有三点明显的优势， 一是能形成更大的电流； 二是能自我恢复； 三是具有不同的颜色偏好性（Arch蛋白对黄色光敏感，Mac蛋白
对蓝色光敏感）。 新发现蛋白中的Mac蛋白在蓝光中能关闭神经元，在黄光中则
不能。在一种细胞中表达Mac蛋白而在另一细胞中表达对黄光敏感 的抑制蛋白，这样就能利用不同颜色的光线来针对性地抑制相邻的 神经元细胞了。
16
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。
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。
17
4.光遗传学的研究与进展
18
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。
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？
7
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
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3.1光遗传学工具
作为控制蛋白，用来调制活组织中靶细胞的 专一活动： 兴奋 抑制
在光遗传学试验中，研究人员能够在感兴趣的能调控电信号的 靶细胞上表达来自视蛋白的光学门控离子通道（lightgatedionchannels）
比如视紫红质通道蛋白2（channelrhodopsin-2，ChR2）和嗜盐 菌紫质（halorhodopsin，NpHR）一类的视蛋白都已经成为了神 经生物学实验室中的常用蛋白。科学家可以分别利用蓝光和红 光来激活（去极化）或抑制（超极化）一系列的经过遗传改造 的神经元细胞。
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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
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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。
Halorhodopsin (Kouyama etal., 2010) 12
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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： 来自苏打盐红菌（Halorubrumsodomense，古细菌）的Arch蛋白 来自油菜黑胫病真菌（Leptosphaeriamaculans）的Mac蛋白
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2.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。
美国斯坦福科学家 Karl Deisseroth
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Nature Methods杂志评选出的2010年度研究方法—— 光遗传学（optogenetics）。
Delp实验室制成了一种“光电极”，是由极小的发光二极管组成，能将其放置在 生物工程动物坐骨神经周围。发光二极管发射高强度的蓝光深入穿透到神经元里， 所有的神经纤维均可接收到来自发光二极管短脉冲的充分刺激。研究人员发现光 刺激使肌纤维重新产生正常的放电，诱导发生了与自然条件下一致的肌肉收缩。
“光刺激20分钟后，肌肉还保持了三分 之一的最大应力，而电刺激仅在一小会 后就恢复了平台期，电刺激在4分钟内使 得相同的肌肉完全疲劳，”Llewellyn说： “此外，光刺激更易于启动肌肉的收缩， 且主要是作用于慢抽搐肌纤维，而不是 快抽搐肌纤维。而电刺激则可相等地诱导 两种肌肉类型。”
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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。
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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)。
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。
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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
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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。
nnelrhodopsin (Kato et al., 2012)
11
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。
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3.2 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
15
3.3 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。（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）
这两种分子相比传统的视蛋白具有三点明显的优势， 一是能形成更大的电流； 二是能自我恢复； 三是具有不同的颜色偏好性（Arch蛋白对黄色光敏感，Mac蛋白
对蓝色光敏感）。 新发现蛋白中的Mac蛋白在蓝光中能关闭神经元，在黄光中则
不能。在一种细胞中表达Mac蛋白而在另一细胞中表达对黄光敏感 的抑制蛋白，这样就能利用不同颜色的光线来针对性地抑制相邻的 神经元细胞了。
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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。
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。
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4.光遗传学的研究与进展
18
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。
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？
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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
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3.1光遗传学工具
作为控制蛋白，用来调制活组织中靶细胞的 专一活动： 兴奋 抑制