Nature封面成果：光敏感通道
日期：2012-02-17 08:30:42
光遺傳學(xué)技術(shù)Optogenetics(optical stimulation plus genetic engineering 光刺激基因工程/光遺傳學(xué))是2010年Nature雜志評(píng)出的年度技術(shù)，近年來在這一領(lǐng)域獲得了不少重要的成果，近期來自日本東京大學(xué)，美國斯坦福大學(xué)等處的研究人員發(fā)表了題為“Crystal structure of the channelrhodopsin light-gated cation channel”的文章，報(bào)道了兩個(gè)光敏感通道構(gòu)成的一個(gè)嵌合體的X-射線晶體結(jié)構(gòu)，這將有助于光遺傳學(xué)的發(fā)展，這一成果公布在2月16日Nature雜志上，并被作為封面文章推薦。
領(lǐng)導(dǎo)這一研究的是東京大學(xué)Osamu Nureki，與斯坦福大學(xué)的Karl Deisseroth副教授，其中Deisseroth副教授曾開發(fā)出多種光遺傳學(xué)技術(shù)新方法，比如其研究組曾經(jīng)利用光遺傳學(xué)技術(shù)開展多項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)工程動(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行研究。
光敏感通道（channelrhodopsins）是一種受光脈沖控制的具有7次跨膜結(jié)構(gòu)的非選擇性陽離子通道蛋白，自1991年從萊茵衣藻中發(fā)現(xiàn)后被許多實(shí)驗(yàn)室所關(guān)注，由于這一通道可以快速形成光電流，使細(xì)胞發(fā)生去極化反應(yīng)的電生理特性，因此已被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)的研究。與傳統(tǒng)的神經(jīng)系統(tǒng)研究方法如電生理技術(shù)、神經(jīng)藥理學(xué)方法相比，這一方法具有更高的空間選擇性和特異性，作為光遺傳學(xué)技術(shù)的核心組成部分，這一領(lǐng)域的研究吸引了不少科學(xué)家的關(guān)注。
在這篇文章中，研究人員報(bào)道了兩個(gè)光敏感通道構(gòu)成的一個(gè)嵌合體的X-射線晶體結(jié)構(gòu)（2.3 Å），光敏感通道在神經(jīng)科學(xué)研究中扮演了重要角色，但是有關(guān)它的分子作用機(jī)制至今了解的并不多，這項(xiàng)研究就通過其晶體結(jié)構(gòu)，揭示了光敏感通道的結(jié)構(gòu)，及電生理作用機(jī)制，結(jié)果表明這一離子通道的分子架構(gòu)包括與視網(wǎng)膜相結(jié)合的區(qū)域和陽離子通道。這將有助于揭示光敏感通道的功能，并且為光遺傳學(xué)更好的利用光敏感通道提供了更加精確的信息。
生命現(xiàn)象離不開細(xì)胞發(fā)揮著各種功能。實(shí)時(shí)了解細(xì)胞間的活動(dòng)狀況是揭開復(fù)雜生命謎團(tuán)和疾病治療方法獲取的重要途徑。在保護(hù)頭蓋骨的同時(shí)，對(duì)處理大腦龐大信息的大量神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)性成像是非常困難的。因此研究人員開發(fā)了各種方法，包括光遺傳學(xué)技術(shù)進(jìn)行探索。
去年來自斯坦福大學(xué)的華裔研究組則接連設(shè)計(jì)了幾種新穎的光遺傳學(xué)工具，可以更好的分析活體哺乳動(dòng)物大腦神經(jīng)環(huán)路生理現(xiàn)象，比如他們將光遺傳學(xué)技術(shù)結(jié)合細(xì)菌人工染色體（BAC）轉(zhuǎn)基因策略成功構(gòu)建了四種神經(jīng)元可被藍(lán)光激活的轉(zhuǎn)基因小鼠動(dòng)物模型。
除此之外，Bamberg研究組的一項(xiàng)最新成果：看似簡單的融合方法解決了光遺傳學(xué)研究的一大問題。之前的研究表明channelrhodopsin-2受到藍(lán)光的刺激時(shí)，會(huì)導(dǎo)致陽離子通過細(xì)胞膜，細(xì)胞去極化，神經(jīng)元激活，而鹽菌紫質(zhì)（halorhodopsin）在受到橙色光的刺激時(shí)，則會(huì)引發(fā)氯離子通過細(xì)胞膜，細(xì)胞極化，阻止細(xì)胞激活。
這些成果都有利用更好的通過光遺傳學(xué)分析生物現(xiàn)象，當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)這些方法并不容易，比如Bamberg研究組這項(xiàng)成果，因?yàn)楫?dāng)細(xì)胞表達(dá)兩種光遺傳學(xué)蛋白的時(shí)候，它們表達(dá)兩種蛋白的表達(dá)水平不均衡，一種可能很多，而另一種可能很少。而且不同細(xì)胞的表達(dá)比率也不一致。
