集锦 | 升级版光敏蛋白最新简介

BiPOLES
 

通过兴奋性和抑制性光敏蛋白对神经元活动的光遗传学操纵已成为神经科学研究中不可或缺的实验策略。许多应用需要双向控制神经元活动，允许在单个实验中激发和抑制相同的神经元，这需要兴奋性与抑制性光敏蛋白之间的低光谱重叠，匹配的光电流振幅和固定的表达比例。
 

目前德国柏林洪堡大学生物实验物理研究所Johannes Vierock在Nature Communication报道了一种双色光敏蛋白BiPOLES，由蓝光抑制的GtACR2和红光激活的Chrimson融合而成。
 

BiPOLES在不同的激发光通道均表现出最大光电流密度、抑制性阴离子和兴奋性阳离子电流在峰值上具有最大的光谱分离，可分别使用橙/红光激活或蓝光抑制神经元细胞。BiPOLES的效用在蠕虫、苍蝇、小鼠和雪貂中均得到验证。
 

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eNPAC2.0

同期，德国柏林莱布尼茨分子药理学研究中心高晓杰与查理特大学医学院Franziska Bender在Nature Communication也发表双色光敏蛋白eNPAC2.0，利用eNPAC2.0记录pMS中胆碱能神经元活动。eNPAC2.0是包含NpHR和ChR2的双顺反子序列，可分别使用橙/红光激活或蓝光抑制神经元细胞。该序列的大小低于AAV的有效载荷，并可增加两种光敏蛋白的光电流。
 

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ChroME2s、ChroME2f
 

现有光遗传学工具的生物物理特性限制了光遗传学精确控制的规模、速度和保真度。如光敏感度与闭合动力学的反比关系，使得设计一种同时提供高效能和快速闭合动力学的光敏蛋白极具挑战性。加州大学伯克利分校海伦威尔斯神经科学研究所Savitha Sridharan以天然存在的光敏蛋白 ChRmine突变体ChroME为骨架，设计了一系列全新的光敏蛋白，将最高效能和最佳动力学的变体命名为ChroME2f和ChroME2s。
 

新光敏蛋白ChroME2s和ChroME2f在清醒动物中可提供更强的光电流、更高的光学灵敏度，并保留时间精度，且可控制大量神经元。新光敏蛋白的应用大大扩展了光遗传学范式的能力，以解决神经环路与行为研究等问题。
 

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ChRmine系列
 

ChRmine是一种天然存在的光敏蛋白，具有强光电流，红移光谱和极端光灵敏度的特性，为光遗传学创造了新的机会。东京大学Hideaki E. Kato课题组联合斯坦福大学霍华德休斯医学研究所Karl Deisseroth课题组在Cell上揭示了Pump型新型通道视紫红质ChRmine的三维结构，将有利于了解各种通道视紫红质的离子渗透机制，而且拓宽了其结构分析方法，为阐明视紫红质的分子机理提供了新的线索。
 

同时，作者成功开发了三种ChRmine变体：rsChRmine（红移）、hsChRmine（快速动力学）、frChRmine（结合更快动力学和红移性能），进一步发挥了ChRmine的性能及应用。
 

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ChR2-mGluR2-PA
 

通道视紫红质2（ChR2）等光遗传学工具均可操纵和映射神经环路，但目前仍然缺乏能选择性沿着神经元远程轴突传递以实现精确的突触前激活的ChR2变体。
 

日本山梨大学Shun Hamada等设计一种专门定位于突触前轴突末端的ChR2变体：ChR2-mGluR2-PA。它可特异性靶向神经元轴突末端而不干扰其正常的功能，诱导长距离轴突末梢的突触传递，并在尖峰碰撞试验（记录神经元轴突投射的强有力方法）中降低多突触噪声，有效识别轴突投射，为光遗传学实验提供了丰富的可能性。

Opto-vTrap
 

光遗传学对大脑活动的时空控制已成为研究大脑功能的重要工具。光遗传学探针（如盐视紫红质和古视紫红质）通过超极化膜电位间接抑制递质释放，但会引起离子失衡和反弹峰值，并且在非兴奋性神经胶质细胞中不适用。
 

韩国科学技术院(KAIST)生物科学系Joungha Won设计了Opto-vTrap，一种光诱导、可逆的抑制系统，可促进含有递质的囊泡聚集，抑制囊泡分泌释放。Opto-vTrap可广泛应用细胞、脑片和活体中，Opto-vTrap激活并不影响膜电位，可逆抑制突触和神经胶质的传递，降低海马体依赖性记忆检索等。Opto-vTrap有望作为下一代光遗传学抑制剂，以最小的干扰效应控制大脑活动和行为。

 

PPO
 

对遗传定义的细胞进行光学操作将有利于了解神经环路的动力学。虽然光遗传学激活相对简单，但快速和可逆的突触抑制仍难以捉摸。圣路易斯华盛顿大学医学院疼痛研究中心Bryan A. Copits及Michael R. Bruchas团队Neuron上发表了一种有效的光遗传学工具，即来源于七鳃鳗松果体的突触末端抑制光敏蛋白PPO（parapinopsin），在紫外线(UV)与绿色/黄光照射下可被光调控为开或关状态，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控制突触传递。
 

PPO填补了神经科学工具中快速和可逆突触抑制的重大空白，并且对于抑制性GPCR信号级联的时空控制具有广泛的实用性。
 

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eOPN3
 

同期，魏茨曼科学研究所神经生物系Mathias Mahn提出一种脊椎动物脑光敏蛋白的靶向增强型蚊源同源蛋白（eOPN3），可以有效抑制Gi/o信号通路的突触传递，从而可选择性地抑制突触前末端的神经递质释放，具有高时空精度，为体内长程神经元环路的研究开辟了新的途径。
 

这项研究中，eOPN3与PPO是首次描述了双稳态非视觉性视紫红质的光遗传学应用，可有效抑制突触传递。

Jaw
 

在光遗传调控中，相比于其他可见光波长，红光可更深入地穿透组织。美国麻省理工大学媒体艺术与科学实验室Amy S Chuong 提出了一种新型红移的光敏蛋白Jaws，可诱导更强光电流（早期光敏蛋白的3倍），可明显抑制皮层感觉诱发的神经活动，并在色素性视网膜炎模型小鼠的视网膜中产生强烈的光响应。Jaws可无创地介导清醒小鼠大脑深处神经元的经颅光学抑制。Jaws提供的非侵入性光遗传抑制使各种重要的神经科学实验成为可能。

stGtACR2
 

阴离子传导通道视紫红质GtACRs，具有高单通道电导率和良好的光子-离子化学计量特性，在体内广泛抑制神经元群体的实验中具有很好的应用前景，然而，GtACRs在哺乳动物细胞中显示出较差的膜靶向，并且室内的兴奋性氯离子逆转电位会导致轴突的瞬时激发。
 

魏茨曼科学研究所神经生物系Mathias Mahn提出了一种体细胞靶向的阴离子传导通道视紫红质stGtACR2，具有高光灵敏度，可明显改善光电流和降低轴突激发，同时也能高效抑制哺乳动物大脑中的神经元活动。

参考文献

[1]  DOI:10.1038/s41467-021-24759-5

[2]  DOI:10.1038/s41467-021-24805-2

[3]  DOI:10.1016/j.neuron.2022.01.008

[4]  DOI:10.1016/j.cell.2022.01.007

[5]  DOI:10.1038/s42003-021-01977-7

[6]  DOI: 10.1016/j.neuron.2021.11.003

[7]  DOI:10.1016/j.neuron.2021.04.026

[8]  DOI: 10.1016/j.neuron.2021.03.013

[9]  DOI: 10.1038/nn.3752

[10]  DOI: 10.1038/s41467-018-06511-8

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