小布解读 | Neuron新品 — 一种用于突触前抑制的GPCR光控视蛋白

光遗传学（Optogenetics）是一种常用的结合光学与遗传学的重要手段，能够在时间和空间上精确控制特定神经元活动。该技术能够帮助研究人员们了解大脑是如何工作的，而这或可催生缓解和治疗成瘾症、抑郁症和疼痛的新疗法。

现有的常用光抑制工具存在一定的局限性，如在作用于突触前末端时eNpHR3.0存在低效率，eArch3.0存在脱靶效应。

另一种抑制突触投射的策略是化学遗传学，其能够弥补光遗传学在突触前末端调控不利的缺点，但它们缺乏时空精准度。

因此在突触前末端快速、准确和可逆地抑制神经元活动被认为是一项难题。

圣路易斯华盛顿大学医学院疼痛研究中心Bryan A. Copits助理教授及Michael R. Bruchas教授团队基于以上思考，开发了新的GPCR光遗传学工具，并发表于Neuron上，即来源于七鳃鳗松果体的突触末端抑制视蛋白PPO（parapinopsin）。PPO通过Gi/o信号联级来减少突触前末端神经递质的释放进而有效抑制突触传递。

图1 | DOI：10.1016/j.neuron.2021.04.026

PPO是一种表达于七鳃鳗松果体中的非视觉性视紫红质，在紫外线(UV)与绿色/黄光照射下可被光调控为开或关状态。本研究构建了一种基于GPCR可光控的视蛋白PPO，在体内可快速和可逆地抑制G蛋白通路和突触末端神经递质的释放。PPO代表了一种独特的基于GPCR的特异性抑制突触前工具，用于剖析细胞生物学和GPCR药理学的基本方面。

PPO与哺乳动物Gα_i/o蛋白结合，参与经典信号连接抑制腺苷酸环化酶，激活G蛋白偶联内向整流型钾（GIRK）通道，抑制钙离子通道。

蓝/紫外光刺激PPO导致细胞膜（PM）上γ9亚基发生胞内移位；黄光刺激后PM上γ9迅速转回。即蓝/紫外光激活PPO，黄光关闭PPO。

整个过程不影响邻近细胞，并且反复激活和关闭光控PPO均未出现明显脱敏的情况。

图2 | PPO的光谱表征

首先，PPO可将蓝光作为光源，以类似于典型光遗传学实验或GFP成像中使用的光强度刺激PPO，而不需要购买新的设备。同时，可使用脉冲蓝光对PPO进行持续抑制。

并且，紫外和蓝光的光激活在动力学上有很大的差异。紫外光触发了一个持续的激活状态，而PPO在蓝光照明后关闭的速度要快得多。

另外，作者发现PPO可能在多光子光遗传中发挥作用，但与波长的特定荧光团结合时必须小心，以避免意外激活。

图3 | 紫外光和蓝光对PPO的激活和衰减的比较

与GABAB受体激动剂巴氯芬（具有明确的突触前效应）一致，PPO快速可逆地抑制神经元电压门控Ca²⁺通道。

因此，PPO的应用不仅填补了系统神经科学工具箱中的一个主要空白，即快速和可逆地抑制突触前神经递质的释放。

图4 | PPO抑制神经元钙离子通道

PPO还为内源性突触前Gi偶联的GPCRs如何改变神经环路动力学的研究提供参考，使用PPO和基因编码的探针对突触前释放的时空控制可以帮助阐明这一点。

PPO是否可以与不同细胞类型的不同信号级联结合或参与突触前可塑性机制，当然值得进一步研究。

在这篇文章中，作者证明了PPO是一种有效的光遗传学工具，可以通过抑制GPCR信号级联来快速和可逆地控制神经调节。

同时，PPO也可能代表一种新的载体，去改造光控GPCR嵌合体，以模拟它们的时空精度。进一步，可应用于临床重要药物靶点相关研究。