化学遗传学

化学遗传学(Chemical genetics)是通过调查筛选化学小分子库,而对蛋白质功能以及细胞内信号转导通路进行研究的一门学科。化学遗传学的手段类似于经典的遗传学筛选,随机突变引入生物体内进而引发表型的改变,借此对突变基因进行识别。但其对于表型的影响不是通过引入突变,而是通过接触小分子工具化合物产生的。

化学遗传学有几个目的

1.寻找酶的抑制剂
2.寻找酶的作用底物
3.研究细胞内的信号转导机制
4.研究基因的转录过程
5.人工受体的改造与配体筛选

随着生物和化学交融的更加紧密,化学遗传学为生物学工作者带来了许多惊喜,通过对生物体原有的配体与受体进行改造,得到了大量的具有外源物质激活、调节细胞通路的人工改造受体。

图1化学遗传学改造天然配体得到的人工配体(Bryan L.Roth.Annu.Rev.Neurosci.2014)

这样的工具逐渐成熟,被广泛应用于生物学研究的各个领域,而近几年更是备受神经生物学工作者的喜爱。

图2.DREADDS的由来及应用(Bryan L.Roth.Int. J.Neuropsychoph.2015)

通过将不同的G蛋白偶联受体进行改造成为DREADDS (Designer Receptor Exclusively Activated by Designer Drugs)后,其只接受外源性的配体的信号,并激活相应的GPCR信号通路,从而引发细胞不同的兴奋性变化。因此,应用于神经细胞内,则会进一步引起钠离子通道、钙离子通道的打开或关闭,从而诱发神经细胞膜电位的变化。

图3.不同DREADDS相对应的细胞内信号通路(Bryan L. Roth et al. Pharmacol. Rev. 2011)

化学遗传学常用的病毒工具

注:只由特定药物激活的受体(designer receptors exclusively activated by designer drugs)。现在有很多由叠氮平-N-氧化物(clozapine-N-oxide,CNO)激活的DREADDs,他们会选择性地作用于不同的GPCR级联反应,包括激活Gq、Gi、Gs、Golf和β-arrestin,其中应用最广泛的是Gq-DREADD和Gi-DREADD。

DREADDS作为化学遗传学的产物应用于神经生物学的优点

与光遗传学相比,

1.非侵入性:药物激活特异性受体只需要腹腔注射即可,无需进行开颅手术埋置光纤,既不会因为无关变量而影响实验动物情绪,也不会因为额外负重影响小鼠行为,可实现在小鼠完全自由活动的情况下调控特定脑区和特定神经元的活动。

2.药物作用时程长:由于药物在实验动物体内代谢需要一定的时间(小时量级)才能完成,因此药物遗传学工具可以在较长时程上影响动物行为。例如,在研究摄食行为时,长时间给予光刺激可能带来显著的热效应,而此时DREADDS的优势即可凸显出来。

图4.DREADDS在长时程食物摄取行为记录中的应用(Bryan L.Roth.Annu.Rev.Pharmacol.Toxicol.2015)

3.DREADDS和其相对应的配体均是无毒的:从而避免了像河豚毒素等神经系统阻断剂的毒性,也保证了在调节神经元兴奋性的同时,其生理条件保持健康。

4. 信号通路选择性:由于不同的DREADDS可以满足细胞内不同种GPCR信号通路,因此在实验中通过选择,可以精确激活Gq、Gi或是Gs信号通路。
与光遗传学相比,药物遗传学也存在它自身的不足,它没有光遗传学调控所具有的高时间分辨率和对神经元动作电位发放频率的精确控制。

图5.DREADDS在神经系统中的作用(Bradford B. Lowell et al.J.Clin. Invest.2011)

参考文献:

[1]Pengfei Wei. et al. Processing of visually evoked innate fear by a non-canonical thalamic pathway
[2]Dong S, Rogan SC, Roth BL. Directed molecular evolution of DREADDs: a generic approach to creating next-generation RASSLs. Nat Protoc. 2010 Mar;5(3):561-73
[3]Scofield MD, Boger HA, Smith RJ,et al. Gq-DREADD Selectively Initiates Glial Glutamate Release and Inhibits Cue-induced Cocaine Seeking. Biol Psychiatry. 2015 Oct 1;78(7):441-51.
[4]López AJ, Kramár E, Matheos DP,et al. Promoter-Specific Effects of DREADD Modulation on Hippocampal Synaptic Plasticity and Memory Formation. J Neurosci. 2016 Mar 23;36(12):3588-99.

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