1. <tt id="je1g3"><address id="je1g3"></address></tt>
    2. <video id="je1g3"></video>

          1. 誠信為本,市場在變,誠信永遠不變...

            行業資訊

            化學遺傳學和DREADD

            科學家如何操縱神經元?| 化學遺傳學


            科學家如何操縱神經元?| 化學遺傳學



            大腦分分秒秒都在運作,沒人想讓它停轉。但科學家要研究某個腦區的功能,就必須讓該腦區“停轉”。大腦行使功能依賴于億萬神經元的放電,停轉或失活一個腦區從微觀層面上來講,就是失活腦區內的神經元。

            大腦功能依賴于神經元

            失活神經元的方法大體可歸為兩類:可逆和不可逆。如果一種手段只讓神經元暫時失活,一段時間后又恢復正常功能,那么這種方法就是可逆的。反之,是不可逆的。

            在可逆的技術中,有一種叫化學遺傳學。

            化學遺傳學和DREADD

            化學遺傳學是化學藥物和基因技術結合的產物,泛指通過基因技術改變生物體蛋白質,然后探索突變蛋白和化學藥物分子的相互作用。而DREADD是神經科學家最常用的操縱神經元反應的化學遺傳學技術。

            DREADD全稱長且拗口,卻清晰地表達了它的含義:人工設計的受體只被人工設計的藥物激活,Designer Receptor Exclusively Activated by Designer Drugs,英文簡稱DREADD。

            具體來說,人工設計一種蛋白受體,并通過病毒載體讓這種受體在神經元內表達,這種受體只專一地結合特定的人工設計的藥物,與之結合后可激活或抑制神經元放電。藥物代謝完后,神經元的功能又會恢復。

            DREADD原理圖。左:內源受體和配體,右:人工突變的受體和藥物

            人工設計的藥物可以通過簡單的方式攝入,比如肌肉、靜脈、腹腔或皮下注射,甚至口服。藥物進入血液,穿過血腦屏障進入腦組織,最終跟人工設計的蛋白受體結合從而起作用。

            化學遺傳學工作流程

            有一種DREADD系統高頻出現在神經科學研究中,它就是CNO-hM4Di/hM3Dq系統。

            CNO-hM4Di/hM3Dq系統

            CNO全稱為氯氮平一氧化氮(clozapine N-oxide),是DREADD系統中人工設計的藥物。而hM4Di和hM3Dq是人工設計的蛋白受體,是經過突變的人源毒蕈堿型受體。

            毒蕈堿型受體是神經遞質乙酰膽堿的內源受體,廣泛存在于動物體內。毒蕈堿型受體是一種G蛋白偶聯受體,當乙酰膽堿和毒蕈堿型受體結合時,受體被激活,構象改變,進一步激活偶聯的G蛋白,G蛋白再引發下游反應,最終激活或者抑制神經元。

            毒蕈堿型受體是G蛋白藕連受體,M1,M3,M5型受體激活神經元,M2,M4抑制神經元

            乙酰膽堿激活還是抑制神經元則取決于毒蕈堿型受體的具體亞型。如果是M4型毒蕈堿型受體,與之偶聯的是Gi蛋白,Gi蛋白的后續反應最終會抑制神經元。如果是M3型,招引來的則是Gq蛋白,Gq蛋白的下游反應最終會激活神經元。

            為了能精準地激活或抑制神經元,人們將毒蕈堿型受體在特定位點進行突變,突變后毒蕈堿型受體不再結合內源的乙酰膽堿,而專一被人工藥物CNO激活,激活之后的下游反應不變。

            CNO

            突變后的人源M4毒蕈堿型受體稱為hM4Di,它跟CNO結合后會抑制神經元。而突變后的M3毒蕈堿型受體稱為hM3Dq,它跟CNO結合后會激活神經元。

            CNO和hM4Di結合使神經元超極化抑制,和hM3Dq結合使神經元放電

            體內機制

            長久以來,科學家認為進入體內的CNO穿過血腦屏障作用于神經元,但2017年的一篇《Science》文章改變了人們的看法。

            CNO并不能穿過血腦屏障。

            科學家將帶有放射性元素C11的CNO注射到老鼠體內,然后用正電子發射斷層掃描技術(PET)來探測C11在體內的位置。結果發現,小鼠腦內沒有一絲C11的星光,也就是說帶有C11的CNO并沒有進入大腦。

            CNO并不能跨越血腦屏障(藍色中空位置是小鼠大腦)

            進一步,科學家犧牲掉小鼠,提取小鼠的血液、外周器官和大腦組織,然后檢測放射性同位素C11的蹤跡。跟PET檢測一樣,科學家只在血液和外周器官中發現C11,而腦內一無所獲。

            這就奇怪了。畢竟,一大摞已發表的文章表明,CNO和hM4Di/hM3Dq的結合可以有效的抑制或興奮腦內的神經元。

            當數據無法得到圓滿解釋時,科學家便開始提出新的假說。

            CNO在生物體內會轉化成氯氮平(Clozapine),那是不是氯氮平替CNO完成了使命了呢?

            氯氮平(左)和CNO(右)

            首先,科學家同樣將反射性同位素C11結合到氯氮平上,然后注射到小鼠體內。當PET掃描圖像呈現時,科學家發現小鼠腦內亮起了銀河。也就是說,氯氮平可以穿過血腦屏障進入大腦。

            氯氮平可以穿過血腦屏障進入大腦(黃色部分為小鼠大腦)

            如果氯氮平想替CNO完成任務,它也必須能跟hM4Di和hM3Dq結合??茖W家將hM4Di在小鼠腦內某個特定位置表達。如果hM4Di對氯氮平有很強的親和力,那么hM4Di表達的位置也會是氯氮平聚集的位置。在氯氮平注射50分鐘后,PET技術和免疫化學染色均在hM4Di表達的位置點亮了聚集的氯氮平,這說明氯氮平確實可以跟hM4Di高親和力的結合。

            氯氮平Clozapine在hM4Di的位置聚集

            最后一步要驗證結合hM4Di的氯氮平能不能改變動物的行為。首先,科學家將hM4Di表達在小鼠的伏隔核(nucleus accumbens),伏隔核是大腦獎賞通路的一個重要成分,它接收多巴胺中樞VTA的輸入。以往的實驗表明,如果抑制伏隔核,小鼠會變得蔫不拉幾,不愛動。相反,激活伏隔核,小鼠超愛動。

            如果氯氮平能跟hM4Di結合并抑制伏隔核內的神經元,那么小鼠的運動量將會顯著減少,實驗結果也正是如此。

            少量的氯氮平(CLZ)即可抑制小鼠的運動

            跟CNO相比,在小鼠身上達到同樣的行為效果,氯氮平只需要百分之一的量。并且,CNO被攝入體內一段時間后才起作用,而這一延遲正是CNO在體內轉變成氯氮平所需的時間。

            以上一系列實驗表明,CNO在體內轉變成氯氮平,然后跟hM4Di結合,抑制神經元反應。

            CNO和氯氮平的副作用

            高濃度的CNO和氯氮平除了跟hM4Di、hM3Dq結合外,還會跟內源性的配體競爭結合內源性的受體,從而產生副作用。這些內源性受體包括多巴胺D1、D2受體、乙酰膽堿的毒蕈堿M1、M3、M4受體、五羥色胺2A受體等。而副作用在行為上表現通常為動物精神不振、活動減少。

            既然CNO和氯氮平有副作用,那么有沒有更好的藥物可用呢?

            去氯氯氮平(DCZ)

            2019年,日本科學家Takafumi Minamimoto發現了另外一種藥物:去氯氯氮平(簡稱DCZ)。顧名思義,去掉氯氮平分子中的氯。

            左:去氯氯氮平,右:氯氮平

            去氯氯氮平和氯氮平結構極其相似,和hM4Di、hM3Dq有更高的親和力。同時,跟內源性多巴胺受體,乙酰膽堿受體和五羥色胺受體親和力較弱。也就是說去氯氯氮平的選擇性更高,副作用也小,是新一代冉冉升起的明星藥物。

            在猴腦內,去氯氯氮平(DCZ)跟hM4Di的結合更特異

            總結

            化學遺傳學的方法對動物損傷極小。病毒在腦內表達后,每次實驗只需肌肉或靜脈注射藥物即可抑制或興奮一個腦區,非常適合進行人體醫學的轉化。

            但化學遺傳學也有缺點,時間精度差。藥物會連續幾個小時起作用,在此期間,神經元一直處于不正常狀態。大腦的認知通常變化很快,幾秒內甚至一秒內會發生數個認知過程,要分離開這些瞬態且順序進行的認知過程,迫切需要更快速更靈活的可逆手段。

            于是,光遺傳技術脫穎而出。


            新聞資訊

            聯系我們

            電 話:0731-81855013

            傳 真:0731-81855013

            手 機:19892896528

            郵 箱:my@meyuecn.com

            地 址:長沙市高新開發區谷苑路186號湖南大學科技園創業大廈521

            Copyright ? 2019-2050 長沙邁越生物科技有限公司 版權所有 亚洲无码一区二区三区_一级a一级a爰片免费免水l软件_麻豆一区二区99久久久久_国产无码黄色
            1. <tt id="je1g3"><address id="je1g3"></address></tt>
            2. <video id="je1g3"></video>