伟德BV下载病毒载体101:化学遗传学

玛雅·彼得斯·科斯特曼(Maya Peters Kostman)著

为了了解大脑的复杂线路和神经疾病的基础,神经科学家需要能够探测细胞和电路而不破坏正常的大脑功能。化学遗传学已经成为该领域的流行工具,因为它提供了一种非侵入性的方法来操纵细胞活动,特别是神经元放电。

chemogenetics是什么?

Chemogenetics依赖于基因引入的工程受体,这些受体只能被惰性药物激活。一旦被激活,化学感受器就会劫持细胞信号通路,并导致如下反应心率下降(Redfern等,1999)或改变神经元兴奋性(Zhu et al., 2014)。该系统可以让你研究信号通路和神经回路对行为的影响。

体内或体外传递的化学遗传学质粒这导致了一个化学发生受体在细胞上的表达,配体可以激活它来给出一个表型输出。
图1:化学遗传学系统的概述。

为什么使用chemogenetics

因为化学生成受体是通过给药激活的,而这些药物必须扩散到全身,因此受体激活的开始被延迟,并在几分钟内开始。针对特定神经元放电的即时效应的研究,更适合使用快速作用的光遗传学工具。化学遗传学提供的优势是它是无创的,有更持久的影响。

构建你的化学生成系统

为了建立一个化学生成系统,你需要选择一种方法来靶向受体表达作为配体和受体对。

针对受体表达

使用化学遗传学需要成功地将受体引入目标细胞。有针对性和具体的交付这对于神经科学的研究尤为重要,在神经科学中,特定的组织、细胞类型甚至神经元的亚细胞区域都需要被定位。当表达必须被限制在特定的回路中时,靶向在治疗的发展中也很重要。靶向表达的方法涉及组织特异性启动子,AAV血清型,以及不断增长的各种重组酶系统

选择配体

选择正确的配体对建立化学生成系统也很重要。你的实验依赖于激动剂成功到达靶细胞的能力,同时导致最小的脱靶效应。例如,如果你的受体在大脑中表达,就必须使用能够穿过血脑屏障的配体。

选择配体进行化学遗传学研究的另一个考虑因素是,你的研究是否旨在开发人类疗法。在这些情况下,最好与FDA/EMA批准的药物合作,这样你的结果就可以应用于人类患者。

选择受体

你选择的受体很大程度上取决于你想要控制的细胞反应。重要的是要考虑到,相同的受体可以引起不同的反应取决于它在什么细胞类型的表达。最常见的化学调控目标是神经元,其中化学受体可以通过降低或提高信号传导的阈值来改变兴奋性。目前在化学遗传学中使用的两大类受体是dreadd和pams。

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使用Dreadds

DREADDs

DREADDS,或专门由设计药物激活的设计受体,是G蛋白偶联受体(GPCRs),已被重新编程,只对惰性的,非天然配体反应。然而,它们保留了细胞内的相互作用,仍然启动相同的途径,引起相同的细胞反应。由DREADD引起的细胞反应取决于g蛋白的种类,因此,也取决于受体通过何种途径发挥作用。的DREADDhM3D(《Gq》)例如,它会降低神经元信号的阈值,导致神经元突发放电。其他的dreadd,如贺德受体,增加阈值,抑制神经元。

DREADD配体

一些dreadd,包括hM3D(Gq),已经从毒蕈碱受体中获得。毒蕈碱受体衍生的dreadd最受欢迎的激动剂是CNO(氯氮平- n -氧化物)。然而,由于CNO能够代谢成CLZ(氯氮平),人们对使用CNO作为DREADD激动剂的可靠性提出了担忧。虽然一些科学家们他们认为这些问题可以通过使用低剂量和运行适当的控制来缓解(Jendryka等人,2019年),他们已经开始寻找替代配体,如C21、CLZ、Perlapine和奥氮平,这些配体也可以激活毒理学衍生的dreads。一个新的配体布莱恩罗斯实验室Takafumi Minamimoto的实验室被称为deschloroclozapine(DCZ)最近也被开发出来,并显示出作为CNO替代品的潜力(Nagai等人,2019)。

使用psam

psam

psam,或药理学选择性致动器组件,其目标是创建内源性激活较少和配体脱靶激活减少的受体。pams本身是修饰的配体结合域。当耦合到通道的离子孔域(IPD)时,PSAM作为一种门机制来控制离子通量。该系统允许你直接操纵离子通道。当与PSAM受体一起工作时,你对细胞的影响取决于你的PSAM与什么IPD结合。将PSAM与阳离子通道(如血清素3受体)的IPD结合,将促进神经元的去极化。或者,与阴离子通道的IPD结合,如甘氨酸受体,将促进超极化。

PSAM配体

pams的优势在于能够被药理选择性效应分子(pems)特异性和强效激活。更高的效力意味着更低的药物剂量,这减少了脱靶效应的风险。这些合成激动剂可以穿透大脑,其中一些,如伐伦克林,已经被批准用于临床。瓦伦尼克林已经进一步改进,以创造upsem(超强力pems),大大提高效力。

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参考文献

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