光遺傳學(xué)突破：用光提高記憶力
日期：2015-09-16 08:59:58
隨著一個(gè)新的植物-人混合蛋白分子（稱為OptoSTIM1）的產(chǎn)生，迅速發(fā)展的光遺傳學(xué)領(lǐng)域又獲得了一個(gè)突破性的進(jìn)展。最近，由韓國先進(jìn)科技學(xué)院（KAIST）副教授、韓國基礎(chǔ)科學(xué)院（IBS）認(rèn)知和社會(huì)性中心的Won Do Heo帶領(lǐng)的一個(gè)研究小組，與Yong-Mahn Han教授、Daesoon Kim教授一起，用他們的新分子OptoSTIM1，改進(jìn)了精確控制活生物體內(nèi)細(xì)胞鈣離子（Ca2+）通道的過程。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在九月十四日的《Nature Biotechnology》。
鈣離子是不同細(xì)胞功能的一個(gè)重要組成部分，如收縮、興奮、生長、分化和死亡。嚴(yán)重的鈣離子缺乏與心律失常、認(rèn)知功能障礙和共濟(jì)失調(diào)有關(guān)。
在光遺傳學(xué)中，一個(gè)光敏植物感光受體和一個(gè)影響細(xì)胞膜離子通道的動(dòng)物蛋白，結(jié)合在一起并被引入到靶細(xì)胞中。它們共同起作用，并響應(yīng)來自特定光波長的刺激，打開（或接近）一個(gè)特定的離子通道。
以前，研究人員嘗試使用藥物和電刺激來精確控制鈣離子通道，這不夠準(zhǔn)確，因此不能提供有意義的結(jié)果。光遺傳學(xué)領(lǐng)域的發(fā)明，徹底改變了鈣離子通道的特定控制過程。
在他們的光遺傳學(xué)應(yīng)用中，該研究小組使用來自開花植物擬南芥的一個(gè)光感受器，稱為隱花色素2（Cry2），并將其與STromal Interaction Molecule 1（STIM1，幾乎存在于所有動(dòng)物中的一個(gè)蛋白，可打開細(xì)胞的鈣離子通道)結(jié)合在一起。這就產(chǎn)生了一個(gè)雜交分子，他們將其命名為OptoSTIM1。
當(dāng)他們將藍(lán)光引入表達(dá)OptoSTIM1的細(xì)胞時(shí)，他們能夠誘導(dǎo)它們打開其鈣離子通道，并允許來自細(xì)胞外的鈣離子流入。細(xì)胞吸收的鈣離子就超過了以前的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)?span lang="EN-US">OptoSTIM1比以往的光遺傳分子更高效。在藍(lán)色燈光下Cry2有自然的親和力聚集在一起。根據(jù)研究員Taeyoon Kyung介紹：“我們的方法更好，因?yàn)槠渌闹参锏鞍撞荒芟?span lang="EN-US">Cry2那么有效地聚集。”事實(shí)上，較以往的研究，這種聚集可導(dǎo)致5到10倍的鈣離子被檢測到。
提高小鼠的學(xué)習(xí)能力
為了檢測它們在一個(gè)活細(xì)胞中起了什么作用，研究人員用OptoSTIM1表達(dá)斑馬魚胚胎。在暴露于藍(lán)色燈光后，表達(dá)這個(gè)分子的細(xì)胞表現(xiàn)出鈣離子吸收的跡象，而其他細(xì)胞則沒有。
他們接下來探討了細(xì)胞間鈣離子信號(hào)的概念。為此，他們將表達(dá)OptoSTIM1的細(xì)胞集落中的僅僅一個(gè)細(xì)胞暴露于藍(lán)光，測試了人類胚胎干細(xì)胞。盡管只有一個(gè)細(xì)胞被藍(lán)光照亮，但是研究人員在其他更遠(yuǎn)和非光照射的細(xì)胞中檢測到了一個(gè)鈣離子延遲反應(yīng)，從而表明有一定程度的細(xì)胞間通信。
鈣離子的釋放和吸收，也在腦細(xì)胞及其功能中起著重要的作用，因此研究人員探討了鈣離子調(diào)制對記憶的影響。海馬體可控制記憶，所以科學(xué)家首先檢測了表達(dá)OptoSTIM1的培養(yǎng)海馬細(xì)胞，當(dāng)細(xì)胞暴露于藍(lán)光時(shí)，實(shí)現(xiàn)了鈣離子內(nèi)流。
基于前人對小鼠記憶的研究，以及培養(yǎng)海馬細(xì)胞的成功，他們將OptoSTIM1引入到活體小鼠的海馬體中。為了測試鈣離子內(nèi)流的功能效應(yīng)，IBS研究團(tuán)隊(duì)將一組光照射的小鼠，與表達(dá)OptoSTIM1的非光照小鼠進(jìn)行了比較，在一種環(huán)境中引入一個(gè)條件作用線索后進(jìn)行恐懼刺激。在隨后的試驗(yàn)中他們發(fā)現(xiàn)，與無光刺激的小鼠相比，表達(dá)OptoSTIM1的光照射小鼠，當(dāng)放置在沒有條件線索的測試環(huán)境中時(shí)，有更大的恐懼反應(yīng)。事實(shí)上，與非光刺激的小鼠相比，它們對恐懼刺激響應(yīng)的記憶增加了近兩倍，從而表明OptoSTIM1表達(dá)（和由此產(chǎn)生的Ca2+攝?。窃鰪?qiáng)記憶的一種有效方法。
神經(jīng)功能增強(qiáng)和治療
這項(xiàng)工作為今后“光遺傳學(xué)增強(qiáng)記憶和學(xué)習(xí)”的研究，開辟了新的途徑。更重要的是，一些神經(jīng)系統(tǒng)疾?。ㄊ?span lang="EN-US">Ca2+調(diào)節(jié)功能障礙的一個(gè)結(jié)果），可能受到大腦中光遺傳學(xué)控制的鈣通道的影響。這也可能是發(fā)現(xiàn)藥物以及治療性鈣離子調(diào)制的一個(gè)步驟。根據(jù)Kyung介紹：“細(xì)胞的Ca2 +調(diào)節(jié)功能障礙可能會(huì)造成疾病，如阿爾茨海默氏病，所以，我們可以把我們的系統(tǒng)應(yīng)用到這些領(lǐng)域，并希望在不久的將來幫助人們從疾病中恢復(fù)過來。”這也可能帶來非侵入式的、非藥物的治療方法，或可能有助于緩解、并最終治療一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病。
