光遗传学原理及运用

操作步骤
promoter opsin
质粒
病毒表达
AAV病毒 病毒注射
病毒表达
Promoter：
广谱: Syn，Thy1 特异：CamK II, ChAT, GFAP, c-Fos Cre/loxp系统：DIO+cre transgenic mice
pAAV-hSyn-Con/Fon hChR2(H134R)EYFP-WPRE pAAV-hSyn-eNpHR 3.0-EYFP
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
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。
胞等功能
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。
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
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
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
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)
氯离子泵，氯离子 内流，引起超极化
细菌视紫红质(BR)
质子泵，质子外流 ，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
通道Fra Baidu bibliotek紫红质(ChR)
阳离子内流，引起 去极化
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。
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
光学控制操作
病毒表达或转 基因
光源（激光/LED ） 光纤、跳线等
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
应用实例
亚细胞结构刺激
University of Western Sydney, Australia
Rice University, Houston
发现细菌视紫 红蛋白
Karl Deisseroth
光操控用于哺 乳动物
FDA已批准光 遗传学治疗失 明的临床试验
1971
2005
2007
2010
2015
Karl Deisseroth
微生物视蛋白 用于光操控
光遗传学技术 的应用得到飞
速发展
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）
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
用于光与大脑研究的小鼠
大脑装上光控开关假想图
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。
pAAV-CaMKIIa-eNpHR3.0-EYFP pAAV-CamKII-hChR2 (T159C)-p2AEYFP-WPRE pAAV-hThy1-eArch 3.0-EYFP pAAV-Ef1a-DIO hChR2(H134R)EYFP-WPRE pAAV-Ef1a-DIO eArch 3.0-EYFP
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
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