1、.,光遺傳學(xué),.,目錄,光遺傳學(xué)的定義和基本原理,光遺傳學(xué)的研究內(nèi)容,光遺傳學(xué)的發(fā)展,光遺傳學(xué)的應(yīng)用前景,4,1,2,3,.,光遺傳學(xué)的定義和基本原理,遺傳學(xué),光學(xué),基因工程,通過基因工程技術(shù)使受體細(xì)胞產(chǎn)生視蛋白，來實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞的光學(xué)控制，即通過光來激活或抑制某種細(xì)胞從而明確其功能。,光遺傳學(xué),.,光遺傳學(xué)上控制細(xì)胞功能的步驟,可以是天然蛋白(如視紫紅質(zhì)蛋白)，也可以是經(jīng)化學(xué)修飾后的對光敏感的人工改造蛋白,通過轉(zhuǎn)染、病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)或構(gòu)建轉(zhuǎn)基因動物等方式將編碼這些視蛋白的基因輸送進(jìn)目的細(xì)胞,時(shí)間上的調(diào)控是利用持續(xù)光源搭配高速快門、快速轉(zhuǎn)換的LED或單光子激光掃描顯微鏡等進(jìn)行寬視野照射來達(dá)到目的 空間上的

2、調(diào)控是通過選擇性的照射細(xì)胞局部的方法實(shí)現(xiàn)的,電極是一種常用的膜電位監(jiān)測工具 也可利用各種依賴熒光生物感受器來檢測輸出信號 對于生物體也可檢測行為改變,尋找合適的視蛋白,往受體細(xì)胞內(nèi)輸送視蛋白基因,對光信號進(jìn)行時(shí)空調(diào)控,收集輸出信號，讀取結(jié)果,光遺傳學(xué)的定義和基本原理,.,光遺傳學(xué)的定義和基本原理,視蛋白：實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的關(guān)鍵部分，它充當(dāng)著離子通道或離子泵的角色,鹽視紫紅質(zhì)(NpHR),離子泵，氯離子內(nèi)流，引起超極化,通道視紫紅質(zhì)(ChR),陽離子內(nèi)流引起去極化,型視蛋(optoXR),必須偶聯(lián)到一種轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白上才能實(shí)現(xiàn)對光反應(yīng)。一般用來調(diào)控信號通路。哺乳動物視網(wǎng)膜上的視紫紅質(zhì)就是此類蛋白。,細(xì)菌視紫

3、紅質(zhì)(BR),質(zhì)子泵，質(zhì)子外流，引起超極化,.,光遺傳學(xué)的定義和基本原理, Image information in product Image : Note to customers : This image has been licensed to be used within this PowerPoint template only. You may not extract the image for any other use.,光遺傳學(xué)是一種將遺傳學(xué)和光控技術(shù)結(jié)合的新的學(xué)科門類。,.,光遺傳學(xué)的定義和基本原理,細(xì) 胞 信 號 通 路 的 調(diào) 控,其一般性原理是制作嵌合體(chime

4、ra)，一方面是脊椎動物的視紫紅質(zhì)，另一方面是通常的、配基耦合的G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)。這樣組合以后GPCR就相當(dāng)于單成分的神經(jīng)調(diào)控工具。這種II型融合蛋白稱為optoXR，可用以對細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)過程進(jìn)行光學(xué)調(diào)控，其時(shí)間分辨率足以允許應(yīng)用于自由運(yùn)動小鼠行為狀態(tài)下的神經(jīng)元活動。運(yùn)用這種方法可以實(shí)現(xiàn)多巴胺受體的、5一羥色胺受體的、腎上腺素受體的作用，從而在神經(jīng)傳遞的調(diào)制中發(fā)揮重要作用,.,光遺傳學(xué)的研究內(nèi)容,作為光遺傳學(xué)的重要工具，尋找符合要求且效率高的視蛋白十分重要。,光遺傳學(xué)的方法不僅可以用來研究神經(jīng)細(xì)胞，也能用來研究其他細(xì)胞的功能。,研究神經(jīng)細(xì)胞的功能是控制大腦的必經(jīng)之路，另外了解并控制

5、其功能有望治愈多種神經(jīng)方面的疾病。,研究和改造各種視蛋白,研究心臟細(xì)胞干細(xì)胞等功能,研究神經(jīng)回路和功能,.,光遺傳學(xué)的發(fā)展,1971,2005,2007,2010,光遺傳學(xué)發(fā)展的時(shí)間軸,.,光遺傳學(xué)的發(fā)展,.,光遺傳學(xué)的發(fā)展,.,光遺傳學(xué)的應(yīng)用前景,光遺傳學(xué)的應(yīng)用范圍,利用光遺傳學(xué)技術(shù)解釋某些生物現(xiàn)象 利用光遺傳學(xué)技術(shù)對哺乳動物行為進(jìn)行調(diào)控,靶向研究不同種類細(xì)胞的生命活動和功能,改善或治愈某些因神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙所引起的疾病,神經(jīng)生物學(xué),分子生物學(xué),醫(yī)學(xué),.,光遺傳學(xué)的應(yīng)用前景,解釋某些生物現(xiàn)象,在轉(zhuǎn)基因小鼠中雙重組ChR2 和eNpHR 后的一系列細(xì)胞神經(jīng)元（例如下丘腦分泌素細(xì)胞、藍(lán)斑核去甲腎

6、上腺素激活神經(jīng)元、VTA 腹側(cè)被蓋區(qū)多巴胺神經(jīng)元、棘神經(jīng)元以及類膽堿能中間神經(jīng)元）可以利用光波對這些神經(jīng)元的活性進(jìn)行精確控制； 該技術(shù)的可控性已經(jīng)應(yīng)用到小鼠的睡眠與覺醒、多巴胺上癮機(jī)制、獎賞機(jī)制以及可卡因依賴癥等諸多方面，并取得了突破性進(jìn)展。,2005 年Nagel 等發(fā)現(xiàn)被ChR2 重組的線蟲， 其肌肉壁運(yùn)動神經(jīng)元和動力感覺神經(jīng)元的活性是可控的在斑馬魚軀體感覺神經(jīng)元中的重復(fù)實(shí)驗(yàn)也表明， 光激活下該神經(jīng)元的反應(yīng)驅(qū)動斑馬魚產(chǎn)生的游泳行為與通常的逃避行為很類似。,調(diào)控哺乳動物的行為,.,光遺傳學(xué)的應(yīng)用前景,2009年初，科研人員借助哺乳動物大腦組織里的維甲酸類物質(zhì)并利用維甲酸的信號分子在黑暗環(huán)境火星低的特點(diǎn)，對活體哺乳動物體內(nèi)的G蛋白偶聯(lián)受體信號通路進(jìn)行了光控操作。這次試驗(yàn)中使用的是脊椎動物視紫紅質(zhì)蛋白G蛋白偶聯(lián)受體嵌合體蛋白，這種嵌合體蛋白可以恢復(fù)受異源G蛋白三聚體信號通路Gs和Gq調(diào)控的細(xì)胞信號通路。隨后，又有好幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室用幾種不同的新實(shí)驗(yàn)方法成功對體外培養(yǎng)細(xì)胞內(nèi)的小GTP酶進(jìn)行了光控試驗(yàn)，從而成功地用光控的方法改變了細(xì)胞的形狀和運(yùn)動活力。,分 子 生 物 學(xué),.,光遺傳學(xué)的應(yīng)用前景,可以極大地緩解由慢性壓力引起的抑郁樣癥狀,選擇性激活VTA多巴胺神經(jīng)元,用相應(yīng)視蛋白代替