Прогресс в области фотогенетики

светНаследственностьНаука (optogenetics) - это интеграция оптики, которая быстро развивается в последние годы.программное обеспечениеКонтроль, генные операционные технологии, электрофизиология и другие многодисциплинарные и междисциплинарные биоинженерные технологии. Основной принцип заключается в том, чтобы сначала использовать генные методы для передачи светочувствительных генов (таких как ChR2, eBR, NaHR3.0, Arch или OptoXR) в определенные типы клеток в нервной системе для экспрессии специальных ионных каналов или GPCR. Фоточувствительные ионные каналы избирательно проходят через катионы или анионы при световой стимуляции на разных длинах волн, что приводит к изменению мембранного потенциала по обе стороны клеточной мембраны для достижения цели избирательного возбуждения или подавления клеток.

Фотогенетические технологии, обладающие двумя основными характеристиками: высокой пространственно - временной разрешающей способностью и типологией клеток *, преодолевают многие недостатки традиционных методов контроля активности клеток или организмов, позволяют неинвазивным методам позиционирования нейронов и * изменяют исследовательский статус в области нейробиологии и предоставляют революционные средства для исследований в области нейробиологии. светНаследственностьТехнология также может разработать новые методы лечения ряда заболеваний центральной нервной системы в будущем.

светНаследственностьПрименение технологии обучения быстро развивается после 2010 года, область прикладных исследований охватывает несколько классических экспериментальных видов животных (плодовые мухи, нематоды, мыши, крысы, бархатные обезьяны и крабовидные обезьяны и т. Д.) и включает в себя различные аспекты нейронаучных исследований, включая нейронные кольцаФундаментальные исследованияНаучные исследования памяти, исследования зависимости, двигательные расстройства, нарушения сна, модели болезни Паркинсона,Депрессияи тревожных животных моделей.

При использовании фотогенетики ученые сначала ищут подходящие светочувствительные белки; Затем осуществляется соответствующая передача генетической информации, то есть путем транскрипции, передачи вируса,Генетически модифицированные животныеПостроение линий и другие способыНаследственностьПередача информации целевой клетке; Затем ученые использовали контролируемую демонстрацию для демонстрации клеточной активности, контролируя специфику демонстрационного света во времени и пространстве; После прочтения результатов исследования исследователи этого процесса могут использовать электроды для измерения изменений флуоресцентного эффекта фоточувствительных белков, обнаруживая напряжение внутри и снаружи клеточной мембраны, и использовать флуоресцентные биодатчики для обнаружения считывающих значений для различных клеток, а затем оценить влияние коррекции клеточной активности на животных в целом с помощью поведенческих тестов.

Исходя из этого, для светаНаследственностьИзучайте недавние достижения в области технологий, Xiaobian проводит инвентаризацию для читателей.

1.Cell: Значительный прогресс! Расширение спектрогенетического инструментария путем инверсии фиолетового вещества
Дои:10.1016/j.cell.2018.09.026

В новом исследовании исследователи из таких исследовательских институтов, как Институт медицины Говарда Хьюза в Соединенных Штатах, обнаружили новый метод преобразования класса фоточувствительных белков, называемых rhodopsin. Перевернув эти белки в клеточные мембраны, они могут производить инструменты с различными свойствами. Результаты исследования были опубликованы в журнале Cell 18 октября 2018 года под названием « Expanding the Optogenetics Toolkit by Topological Inversion of Rhodopsins». Авторы статьи - Джошуа Дудман и Алла Карпова из Медицинского института Говарда Хьюза. Эта технология позволяет использовать светНаследственностьТехнология optogenetics - технология, которая использует свет для управления деятельностью нейронов - удваивает количество белков. Эти недавно разработанные гибридные фиолетовые белки позволяют исследователям проводить новые эксперименты, которые помогают анализировать мозговые цепи и изучать нейробиологию, лежащую в основе лечения болезни Паркинсона.

Вдохновленные эволюцией, исследователи под руководством Дженнифер Браун, Резы Бехнам, Люка Коддингтона и Гована Терво разработали дополнительную технологию для преобразования нового видового фиолетового вещества. Помимо мутаций, наличие рекомбинаций, объединяющих различные функциональные домены белковой структуры посредством генной перестройки (gene reshuffling), также приводит к появлению белкового разнообразия в природе. Ученые считают, что рекомбинация имеет решающее значение для появления небольшого количества белков, которые эволюционируют, изменяя их ориентацию в клеточных мембранах.

Когда исследователи смоделировали рекомбинацию, добавив новый белок на один конец видимого фиолетового вещества, он перевернулся. Это было действительно неожиданно. Если каждый существующий модифицированный или недавно обнаруженный видимый фиолетовый кармин получает новую функцию при повороте, это может привести к использованию светаНаследственностьИзучение протеиновых инструментов в технологии удваивается. Они не только смогли изменить ориентацию белков в клеточных мембранах, но и обнаружили, что эти новые модифицированные зрительные фиолетовые вещества имеют * и полезные новые функции. Один из них, FLINCHR (Full Length Inversion of ChR, полное опрокидывание ЧР), начинает активировать нейроны. Когда происходит опрокидывание, он превращается в мощный и быстрый ингибитор, который может быть использован для проведения новых экспериментов.

Научный прорыв в фотогенетике! Преобразование наночастиц помогает глубокой стимуляции мозга! Или разрушит лечение неврологических заболеваний!
doi:10.1126/science.aaq1144; Дои:10.1126/science.aar7379

Томас МакХью (Thomas McHugh), руководитель исследования в Институте наук о мозге в Японском институте физики и химии (RIKEN), и его коллеги теперь находят новые способы неинвазивного введения света в глубины мозга. В своей статье, опубликованной вчера в Science, они использовали преобразованиянанометрЧастицы (UCNP) направляют лазер глубоко в череп. такойнанометрЧастицы могут быть в традиционном светеНаследственностьИзучение недостижимой глубины поглощает ближний инфракрасный свет и превращает его в видимый свет. Этот метод используется для активации нейронов в различных областях мозга, для подавления эпилепсии и для активации клеток памяти. « Наночастицы могут эффективно удлинять глубины, которые могут достигать наши оптические волокна, что позволяет осуществлять дистанционную доставку света и неинвазивное лечение», - говорит МакХью.

Помимо активации нейронов, UCNP также может использоваться для подавления состояния у мышей с эпилепсией. Исследователи ввели мышам в гиппокамп наночастицы, которые излучают зеленый свет, а затем облучали поверхность черепа почти инфракрасным светом. В результате эпилептические нейроны этих мышей были эффективно замалчены. В другой области, называемой внутренней перегородкой ядра, свет, излучаемый наночастицами, способствует синхронизации нейронных тета - циклов (важных мозговых волн). У мышей с памятью о страхе, исследователи использовали светящиеся UCNP, чтобы вызвать воспоминания о страхе у мышей в гиппокампе. Эти нейронные эффекты активации, подавления и возбуждения памяти наблюдались только у мышей, которым вводили наночастицы.

3.Science: Содействие развитию оптической генетики! Анализ трехмерной структуры фиолетового канального белка 2.
doi:10.1126/science.aan8862; Дои:10.1126/science.aar2299

Пурпурный канальный белок 2 (Channelrhodopsin 2, ChR2) - это мембранный белок, широко используемый в фотогенетической технологии (optogenetics). светНаследственностьТехнология обучения - относительно новая технология, которая включает в себя использование света для манипулирования нейронами и мышечными клетками в живом организме. Аналогичные методы использовались для частичного обращения вспять потери слуха / зрения и контроля мышечных сокращений.

Чтобы раскрыть структуру ChR2, исследователи из Германии, Франции, России и Чехии использовали метод анализа, известный как дифракция рентгеновских лучей. Этот метод используется только для анализа образцов белков, присутствующих в кристаллической форме. Они культивировали кристаллы белка ChR2 в так называемой кубической липидной промежуточной фазе (cubic lipid mesophase), которая позволяет белкам свободно перемещаться без выхода из мембраны. Они использовали рентгеновские лучи длиной волны около 1 э., чтобы облучать кристаллы белка ChR2, которые они культивировали, и успешно проанализировали структуру белка ChR2, проанализировав дифракцию рентгеновских лучей в этом кристалле белка. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science 24 ноября 2017 года под названием « Structural insights into ion conduction by channelrhodopsin».

Хиппокампус: « Фотогенетика» терапия может восстановить память некоторых пациентов с болезнью Альцгеймера
doi: 10.1002 / hipo.22756

Недавно исследователи из Колумбийского университета опубликовали статью в журнале Hippocampus, в которой говорится, что через светНаследственностьМетоды обучения могут восстановить память у мышей с болезнью Альцгеймера. Это открытие может изменить наше понимание болезни.

Во - первых, автор произвел фотогенетическую модификацию мышей, чтобы они испускали светлую флуоресценцию при хранении памяти, а красную флуоресценцию при восстановлении памяти. После этого автор принял его.НаследственностьИзмененные дикие мыши и мыши с болезнью Альцгеймера стимулировались запахом лимона, а затем электрическим стимулом, который связывал эти две воспоминания. Через неделю автор снова дал этим мышам стимул от запаха лимона. Результаты показали, что у диких мышей наблюдалась как желтая, так и красная флуоресценция, а также проявление страха, что указывает на то, что при формировании памяти у них также происходит восстановление памяти (recall). Тем не менее, у мышей с болезнью Альцгеймера были совершенно разные области мозга, которые излучали свет, указывая на то, что их мозг нарушал процесс восстановления памяти. Затем исследователи использовали луч синего света, чтобы стимулировать мозг мышей, что позволило им снова активировать воспоминания о запахе лимона и электрической стимуляции, в результате чего у мышей наблюдалась дрожь, когда они снова почувствовали этот запах.

Cell: Фотогенетика превращает крыс в убийц
Дои:10.1016/j.cell.2016.12.027

В каждой мыши скрывается убийца. Исследователи нашли области мозга, которые контролируют хищническое поведение, и успешно нашли способ контролировать его переключатели. Доктор Иван де Араужо из Йельского университета и его коллеги обнаружили две группы нервов в мозге, которые контролируют охоту мышей: одну, которая координирует охоту за добычей, и другую, которая контролирует мышцы шеи и нижней челюсти, обе в миндалине, области человеческого тела, которые связаны с движениями, чувствами и страхом.

Укрепляя эти нервы, они могут активировать их лазером, и эта технология называется светом.НаследственностьТаким образом, исследовательская группа может контролировать переключатели этих путей в любое время. Когда лазер выключается, мыши обычно ходят вокруг клетки, и как только лазер включается, мыши атакуют все, что у них есть на пути: живые сверчки, поддельные насекомые или даже ветки или крышки. Они бросаются на жертву, захватывают ее когтями и многократно кусают.

Затем исследователи попытались подавить функцию каждой группы нервов по отдельности, и когда они подавляли нервы, ответственные за охоту за добычей, крысы преследовали медленнее, но все равно кусались; В свою очередь, если подавить нервы, ответственные за укус, крыса охотится за добычей, но не кусается.

Oncotarget: Использование фотогенетики для контроля возникновения опухолей
Дои:10.18632/oncotarget.8036

В новом исследовании исследователи из Университета Тафтса в США на основе модели лягушки подтвердили использование света для управления электрическими сигналами между клетками, предотвращения образования опухолей и нормализации их после образования. Это исследование посвящено использованию света.НаследственностьУчимся гетерогенно манипулировать биоэлектрическими сигналами, чтобы предотвратить образование опухолей, вызванных раковыми генами, и вызвать рак, вызванный генамиОпухольИсчезает. Результаты исследования были опубликованы в журнале Oncotarget 16 марта 2016 года под названием "Use of genetically encoded, light - gated ion translocators to control tumorigenesis".

Лягушки являются хорошим модельным организмом для фундаментальных научных исследований рака, потому что опухоли лягушек и млекопитающих имеют много одинаковых характеристик, включая быстрое деление клеток, разрушение тканей, увеличение роста кровеносных сосудов, инфильтрацию и клетки с аномальным внутренним положительным напряжением. Почти все здоровые клетки поддерживают большее отрицательное напряжение внутри клеток по сравнению с внешними клетками; Открытие и выключение ионных каналов в клеточной мембране может привести к тому, что напряжение станет более позитивным (деполяризация клеток) или более негативным (поляризация клеток). В других нормальных условиях, используяОпухольАномальные характеристики биоэлектрических сигналов позволяют обнаружить их.

7.Neuron: Удалить память? Будущее может быть.
Дои:10.1016/j.neuron.2014.09.037

В недавней статье, опубликованной в журнале Neuron, исследователи из Центра неврологических исследований Калифорнийского университета в Дэвисе успешно удалили специальные воспоминания из мозга мышей с помощью света, что может дать некоторые идеи о том, как различные части мозга работают вместе, чтобы восстановить ситуационную память.

светНаследственностьOptogenetics - это новая технология, которая использует свет для изучения нервных клеток и в последние годы быстро используется учеными в качестве стандартного метода для изучения функций мозга. Исследователь Казумаса Танака (Kazumasa Tanaka) применил эту технологию к таким исследованиям, как восстановление памяти, и в течение 40 лет ученые предполагали, что восстановление ситуационной памяти (даже при особых событиях, происходящих в специальных местах) связано с скоординированной деятельностью коры головного мозга и макроскопических лошадей, чтобы исследовать модели, в которых деятельность мозга, связанная с корой головного мозга и гиппокампом, восстанавливается в процессе восстановления ситуационной памяти, чтобы люди снова испытали эти события, и если гиппокамп будет поврежден, пациенты потеряют десятилетия памяти.

В статье исследователи используютНаследственностьМодифицированные мыши изучали, что, когда нервные клетки мышей были активированы, они могли испускать всю зеленую флуоресценцию и выражать специальные белки, чтобы способствовать выключению нервных клеток светом, исследователи тренировали мышей в клетках, мыши в клетках испытывали электрический шок, а мыши в новой среде обычно использовали обоняние, чтобы адаптироваться к окружающей среде, но когда они были помещены в новую среду после электрического шока, они находились в реакции страха.

Nature: Новая надежда для фотогенетических инструментов, анализ структуры KR2 канала ионов натрия, управляемого светом
Дои:10.1038/природа14322

Японские ученые опубликовали научную статью в журнале Nature, в которой говорится, что они проанализировали структуру белка KR2, который управляется светом натриевого ионного канала, для будущего поколения светаНаследственностьИнструменты обучения создают возможности.

Многие организмы могут поглощать энергию света или воспринимать информацию о нем, полагаясь на видимую фиолетовую молекулу. Эта молекула состоит из семи альфа - спиральных трансмембранных белков (зрительных белков), связанных с молекулой зрительного желтого альдегида через ковалентную связь. В зависимости от типа белка глаза его можно разделить на животных и микробов. В то время как микроорганизмы имеют видимые фиолетовые функции, которые отличаются от функций у животных, в основном в качестве ионных каналов, ионных транспортеров белков, светочувствительных молекул или киназы. Все больше внимания уделяется видимым фиолетовым веществам этого микроорганизма. Это потому, что ионные каналы и типы ионных насосов, которые могут быть использованы для активности нервных клеток во многих живых организмах, стали очень мощным светом в области нейробиологии.НаследственностьУчебные инструменты.

Обычно считается, что водородные ионы с положительным зарядом шифа - щелочи расположены в ионных каналах всех фотоионных насосов и, как полагают, предотвращают прохождение анионов и нейтральных молекул. Анализ структуры KR2 поднимает новый вопрос о том, как этот ионный насос транспортирует ионы натрия.

Neuron: Чикагские ученые достигли нового прорыва в области фотогенетики
Дои:10.1016/j.neuron.2015.02.033

В последние годы ученыеЭпигенетикаУглубляясь в исследования в этой области, люди начали надеяться контролировать состояние клеток в организме, особенно нейронов, с помощью стимуляции in vitro. Эта область имеет широкие перспективы применения, такие как лечение генетических заболеваний, таких как желтое пятно. Основываясь на этом, светНаследственностьУчебные дисциплины были созданы. Однако до сих пор для достижения этой цели исследователям пришлось генетически модифицировать нейроны. Это также значительно затрудняет распространение этой технологии.

Исследователи из Чикагского университета и Иллинойского университета в Чикаго сделали прорыв в этой области. Исследователи использовали тепло, генерируемое дальним инфракрасным светом, чтобы контролировать нормальную жизнедеятельность нормальных нейронных клеток. В отличие от предыдущей практики экспрессии фоточувствительных белков в нормальных нейронных клетках, ученые из Чикаго решили использовать наночастицы золота для определения местоположения конкретных нейронов. Чтобы решить проблему специализации золотых наночастиц, исследователи подключили нейротоксин скорпиона TS1 к золотым наночастицам. TS1 может быть нацелен на идентификацию нейронных клеток, идентифицируя натриевые ионные каналы на поверхности нейронных клеток. Это то, что люди не меняют нейроны.НаследственностьХарактеристики основаны на достижении цели деятельности фотоуправляемых нейронов. Тем не менее, исследование все еще находится на ранней стадии, и исследователи также говорят, что TS1 может быть токсичным для нейронных клеток. Результаты исследования были опубликованы в журнале Neuron.

Nat Methods: Фотосенсибилизаторы контролируют клеточную мишень
Дои:10.1038/nmeth.3735

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Methods, исследователи из Университета Карнеги - МеллонаНаследственностьФотосенсибилизаторы в школе были переработаны, чтобы разработать флуоресцентный зонд для управления клетками, метод, который может помочь понять роль конкретных клеток и белков в развитии заболевания, а также дать надежду на более позднюю разработку целевой терапии рака или других заболеваний.

Фотогенетика - это использование света для управления биологическими процессами организма, и исследователи обычно реализуют процесс фотоуправляемых клеток, перепрограммируя компоненты, активированные светом, в генетический код организма, который, когда эти компоненты подвергаются воздействию света, способствует тому, что некоторые ткани организма выполняют * различные функции. Исследователи потратили почти 10 лет на разработку флуоресцентных зондов под названием флуороген - activating proteins (FAP), которые часто используются для мониторинга активности белков в живых клетках в реальном времени, где обычно происходит активация флуоресцентных масс.НаследственностьСексуальное выражение: при контакте с флуоресцентным красителем, называемым флуоресцентным генеалом, комплекс излучает свет, что позволяет ученым наблюдать и отслеживать его.

Исследователь Бручес говорит, что для включения светаНаследственностьИзучая этикетки, в статье мы провели инженерные операции на флуоресцентных красителях, чтобы они не только светились, но и производили однолинейный кислород (Singlet Oxygen), токсичную форму кислорода, который, когда он связывается с белками, активированными флуоресцентными скоплениями и подвергается воздействию света, нацелен на белки, активированные флуоресцентными скоплениями, и метод активации фотосенсибилизаторов (FAP - TAPS) позволяет ученым ясно видеть маркированные белки в то же время избирательно образом подавлять активность этих белков. (Биологическая долина)