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光遗传学吉满生物0101光遗传学介绍02光遗传学的研究步骤03激活神经元的通道蛋白04抑制神经元的通道蛋白05光遗传学的研究内容06光遗传学的应用前景content光遗传学介绍31.光遗传学（Optogenetics）是结合了光学（Optics）及遗传学（Genetics）的技术，能在活体动物甚至是自由运动的动物脑内，精准地控制特定种类神经元的活动。光遗传学在时间上的精确度可达到毫秒级别，在空间上的精确度则能达到单个细胞级别。2010年，光遗传学被NatureMethods选为年度方法，同年被Science认为是近十年来的突破之一。这项技术目前在神经科学领域应用非常广泛，未来可能会应用于多种神经和精神疾病的治疗，如帕金森氏病、阿尔茨海默病、脊髓损伤、精神分裂症等光遗传学介绍41.一、将光敏感的分子或光敏感的离子通道转移到神经细胞里面；二、用光来照射这个神经细胞使神经细胞被激活或抑制。遗传学光学光遗传学光遗传学的研究步骤52.寻找合适的光敏蛋白收集输出信号，读取结果对光信号进行时空调控向靶细胞内导入光敏蛋白基因光敏蛋白可分为激活型和抑制型两种，能够引起神经元兴奋或抑制起兴奋神经元作用的Channelrhodopsin-2（ChR2）起抑制神经元作用的Halorhodopsin（NpHR）和Archaerhodopsin（Arch）通过病毒转导、转染、转基因动物等方式将光敏蛋白的遗传信息传递给靶细胞采用导入光纤或控制激光的方式将光导入研究区域选择不同的参数（波长、光强度、频率和占空比）进行光刺激，来达到对神经元活动的时间调控；通过选择性地照射细胞局部的方法来实现对神经元活动的空间调控。采用电极记录神经元细胞膜内外的电压变化，并可用荧光性生物传感器来检测不同细胞数值，通过电生理记录或行为学测试等方法，将光刺激对神经元、神经回路或动物行为的改变呈现出来。光遗传学的研究步骤62.光遗传学遗传操作病毒表达或转基因光学控制操作光源（激光/LED）光纤、跳线等光遗传学的研究步骤72.1.PiecetogethergeneticconstructGeneencodingopsin(light-sensitiveionchannel)Promotertodriveexpression2.Insetconstructvirus3.Injectvirusintoanimalbrain，opsinisexpressionintargetedneurons光敏蛋白表达4.Insert‘optrode’,fibre-opticcablepluselectrode5.Laserlightofspecificwavelengthopensionchannelinneurons6.Recordelectrophysiologicalandbehaviouralresults光敏蛋白被光激活激活神经元的通道蛋白83.野生型ChR2，是一种在单细胞蓝藻中存在的感光蛋白,其在细胞膜上形成阳离子通道。当表达ChR2的细胞受到蓝光照射时,通道开放,导致细胞去极化。ChR2ChR2的突变体，将第134个氨基酸由组胺酸突变为精胺酸，该蛋白质可以产生两倍的光电流，但通道开关速度也比野生的ChR2慢了一倍ChR2(H134R)ChR2的突变体，超灵敏光敏感通道，用蓝色激光打开通道，然后用绿色或黄色激光关闭通道，可以打开其离子通道长达30分钟ChR2(C128S/D156A)ChR2的突变体，更大的光电流和更快的动力学变化ChR2(E123T/T159C)ChR2的突变体，使得神经元在激光刺激下可以发放200Hz的spike，而其他的ChR2通道蛋白只能达到40HzChETA由ChR1及由团藻发现的VChR1组合在一起的通道蛋白，在红色激光刺激下打开通道C1V1抑制神经元的通道蛋白94.NpHR第一个被发现的有效抑制神经元活动的光遗传学工具，会在黄绿激光照射下会将氯离子打进神经元内，而抑制神经元活动。但NpHR在哺乳动物脑内表达时，会聚集在内质网上表达，不能在神经元细胞膜上的高量聚集。eNpHR2.0Copypastefonts.Choosetheonlyoptiontoretaintext.eNpHR3.0Copypastefonts.Choosetheonlyoptiontoretaintext.ArchCopypastefonts.Choosetheonlyoptiontoretaintext.MacCopypastefonts.Choosetheonlyoptiontoretaintext.将内质网输出元件加在NpHR基因序列后面，这样可使得NpHR在胞内高量表达将一个高尔基体输出元件和来自于钾离子通道Kir2.1的上膜元件加在eNpHR2.0基因序列后面，实现了神经元细胞膜上的高量聚集，是NpHR系列中效果最好的一种黄色激光激活的外向整流质子泵，能够将带正电的质子从神经元内移动到细胞外环境中，使神经元处于超极化状态，从而保证神经元处于静息状态。在特定条件下，可用于增加细胞内pH或减少细胞外基质pH。和NpHR相比，当激光关闭的时候，Arch立即从通道打开状态恢复到关闭状态蓝色激光激活的质子泵，能够将带正电的质子从神经元内移动到细胞外环境中，使神经元保持超极化状态，从而保证神经元处于静息状态，使用的较少光遗传学的研究内容105.研究心脏细胞干细胞等功能光遗传学的方法不仅可以用来研究神经细胞，也能用来研究其他细胞的功能研究神经回路和功能研究神经细胞的功能是控制大脑的必经之路，另外了解并控制其功能有望治愈多种神经方面的疾病研究和改造各种视蛋白作为光遗传学的重要工具，寻找符合要求且效率高的视蛋白十分重要光遗传学的应用前景116.•利用光遗传学技术解释某些生物现象•利用光遗传学技术对哺乳动物行为进行调控神经生物学•靶向研究不同种类细胞的生命活动和功能分子生物学•改善或治愈某些神经系统功能障碍所引起的疾病医学12光遗传学的应用前景6.肢体功能障碍老年痴呆症部分眼疾肢体功能障碍可极大地缓解由慢性压力引起的抑郁症状遗传光学方法提高细胞活性相应视蛋白代替视网膜细胞植入运动神经元的拟胚神经受损视网膜疾病脑细胞退化选择性激活VTA多巴胺神经元疾病