Science發(fā)布光遺傳學(xué)重要新技術(shù)

日期：2014-04-03 09:08:05

網(wǎng)絡(luò)化的神經(jīng)細(xì)胞是生物體的控制中心。在線蟲中，300個(gè)神經(jīng)細(xì)胞就足以引發(fā)復(fù)雜的行為。為了更好地了解這些網(wǎng)絡(luò)的特性，研究人員利用光來(lái)開啟和關(guān)閉細(xì)胞，觀察生物體隨之發(fā)生的行為。在發(fā)表于《科學(xué)》（Science）雜志上的一篇新論文中，科學(xué)家們報(bào)告稱有一種蛋白質(zhì)可使光控神經(jīng)細(xì)胞變得更為容易。它有可能為神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究奠定基礎(chǔ)。

要用光來(lái)改變神經(jīng)細(xì)胞，須借助于在細(xì)胞膜中形成離子通道的某些蛋白。這些蛋白被稱作視紫紅質(zhì)通道蛋白（channelrhodopsin）。如果光線觸及這些離子通道，它們會(huì)打開，離子進(jìn)入，致使細(xì)胞特異性地激活或失活。通過這種方式，研究人員獲得了一種極好的工具來(lái)研究神經(jīng)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的功能。然而到目前為止，這種技術(shù)仍要求大量的光線，且只能改變網(wǎng)絡(luò)中非常有限的區(qū)域。新研究中提及的ChlocC視紫紅質(zhì)通道蛋白相比于迄今為止用于關(guān)閉神經(jīng)細(xì)胞的其他蛋白質(zhì)，響應(yīng)光線的敏感度要增高大約10,000倍。

卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的Marcus Elstner說：“為了改變這一蛋白質(zhì)，我們?cè)陔娔X上分析了它的結(jié)構(gòu)。這位理論化學(xué)家和他的研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出了由大約5000個(gè)原子組成的這一蛋白質(zhì)的模型。為此，他們利用了卡爾斯魯厄理工學(xué)院Steinbuch計(jì)算中心的高性能計(jì)算機(jī)。花費(fèi)數(shù)周時(shí)間，連同蛋白質(zhì)環(huán)境，如細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)，對(duì)大約10萬(wàn)個(gè)原子進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這一通道的離子導(dǎo)電性實(shí)質(zhì)上是建立在中心區(qū)域的3個(gè)氨基酸基礎(chǔ)之上。通過交換氨基酸，科學(xué)家們現(xiàn)在成功地提高了這一離子通道的敏感性。

自2005年以來(lái)，科學(xué)家們一直利用來(lái)自微藻的視紫紅質(zhì)通道蛋白。在神經(jīng)切片或活體轉(zhuǎn)基因模式生物，如果蠅、斑馬魚或小鼠中，借助這些蛋白人們可以利用光線來(lái)特異性激活選擇細(xì)胞。因此，進(jìn)一步了解了它們?cè)诩?xì)胞結(jié)構(gòu)中所起的作用。這種稱作為光遺傳學(xué)（optogenetics）的技術(shù)被廣泛應(yīng)用。在過去的數(shù)年里，它促使更深入地了解了信號(hào)處理相關(guān)的生物學(xué)。到目前為止繪制出了一些難以觸及的神經(jīng)信號(hào)通路，發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)、細(xì)胞、組織以及神經(jīng)系統(tǒng)功能之間許多的關(guān)聯(lián)。

在這項(xiàng)新研究中，來(lái)自卡爾斯魯厄理工學(xué)院、柏林洪堡大學(xué)和漢堡Thomas Oertner分子神經(jīng)生物學(xué)中心的研究人員進(jìn)一步開發(fā)了這一離子通道。Jonas Wietek、Nona Adeishvili與柏林洪堡大學(xué)的Peter Hegemann研究組展開合作，成功鑒別出了視紫紅質(zhì)通道蛋白的選擇性過濾器，對(duì)它進(jìn)行改造導(dǎo)入負(fù)電荷氯離子。科學(xué)家們將這些氯離子傳導(dǎo)通道命名為ChlocC。

來(lái)自卡爾斯魯厄理工學(xué)院Marcus Elstner研究小組的Hiroshi Watanabe計(jì)算了蛋白質(zhì)中離子的分布并通過顯像證實(shí)了氯離子分布增高。來(lái)自Thomas Oertner分子神經(jīng)生物學(xué)中心Thomas Oertner研究小組的Simon Wiegert證實(shí)，將ChlocC導(dǎo)入選擇性的神經(jīng)元中，以非常小的光強(qiáng)度即可導(dǎo)致后者失活，在活體生物中亦是如此。現(xiàn)在這種新型的光遺傳學(xué)工具ChloC，可與主要傳導(dǎo)鈉離子和質(zhì)子的已知光激活陽(yáng)離子通道一起，用于神經(jīng)科學(xué)中研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換。