盘点：科学家带你进入不一样的光遗传学世界

光遗传学技术是一种通过使用光学技术和遗传技术来实现控制细胞行为的方法，该技术克服了传统只用光学手段控制细胞或有机体活动的许多缺点，为神经科学的研究提供了一种变革性的手段。

在进行光遗传学技术的运用过程中，科学家们首先要寻找寻合适的光敏蛋白；其次进行相应的遗传信息传递，即通过转染、病毒转导、转基因动物系的建立等方法将光敏蛋白的遗传信息传递给目标细胞；随后科学家们利用可控性演示，通过从时间和空间上控制演示光线的特定性，来实现对细胞活动的精确演示；最后对研究结果进行读取，这一过程研究者可以采用电极通过检测细胞膜内外电压来测量光敏蛋白的荧光效果变化，并可用荧光性生物传感器来检测不同细胞的读出值，进而通过行为测试来评估调整细胞活动对整个动物的影响。

目前，科学家已找到很多可用于控制细胞行为的光敏蛋白并用其发展出具备各种功能的多样性检测工具，为光遗传学的遗传技术部分的实现提供了很好的先决条件。而在光学技术部分，各种光传导技术特别是显微技术的发展，使得对生物研究的演示（不论是其体内还是体外）的控制程度达到了前所未有的水平。两者并驾齐驱，让科学家们利用光遗传学在生命科学领域取得了许多显着的成就。

2010年，光遗传学（optogenetic）工具入选最受关注的年度技术成果，本文中小编就盘点了和光遗传学相关的突破性进展。

【1】Oncotarget：首次利用光遗传学控制肿瘤发生

原文：doi：10.18632/oncotarget.8036

在一项新的研究中，来自美国塔夫斯大学的研究人员基于青蛙模型首次证实利用光控制细胞之间的电信号，阻止肿瘤形成，以及在肿瘤形成后，让它们正常化。这项研究是首次报道利用光遗传学特异性地操纵生物电信号从而阻止癌基因诱导的肿瘤形成，和导致癌基因诱导的肿瘤消退。相关研究结果于2016年3月16日在线发表在Oncotarget期刊上，论文标题为“Use of genetically encoded， light-gated ion translocators to control tumorigenesis”。

青蛙是一种好的模式生物用于癌症基础科学研究，这是因为青蛙和哺乳动物的肿瘤拥有很多相同的特征，其中就包括快速的细胞分裂、组织破坏、血管生长增加、浸润性和含有异常内部正电压的细胞。相对于细胞外面，几乎所有健康的细胞在细胞内部维持着更大的负电压；打开和关闭细胞膜中的离子通道能够导致电压变得更加正性（让细胞去极化）或更加负性（让细胞极化）。在其他方面正常的条件下，利用肿瘤的异常生物电信号特征就能够检测它们。

【2】光遗传学技术拯救盲人的视力，从此无需等待角膜供体

新闻阅读：The first human trials of new technique that could restore sight to the blind are about to begin

得克萨斯州的医生们正在计划利用一种新型的神经科学技术挽救盲人的视力，这在医疗界还属于首次。

位于密歇根州的RetroSense医疗公司致力于开发一类叫做"光遗传学"的技术，该技术通过修改神经元细胞，使其能够感受光线从而进行"开启"与"关闭"。如今，这一技术已经在小鼠与猴类水平得到了验证，但这还是首次在人体内进行实验。

根据相关报道，这一临床试验主要由美国西南地区视觉研究基金会牵头，囊括了15名患有视觉障碍的患者：这些患者的视网膜中的光线感受细胞发生了退化，导致他们逐渐失去末梢以及夜间的视觉，并最终失去了全部视力。

此前，科学家们利用光遗传学手段成功消除了小鼠大脑内部与恐惧有关的记忆。

【3】光遗传学——照进细胞的一束光

转基因斑马鱼胚胎上的闪亮蓝光让科学家选择性地激活光敏感转录因子。

从现在开始10年后，这种技术将会成为发育生物学和细胞生物学界人人使用的工具。

Kevin Gardner打开一个小冰箱模样的培养器，看着里面闪烁的蓝光，这种场景经常让他想起上世纪70年代的美国纽约迪斯科舞厅。“一些有趣的事情正在这里发生。”他提示说。不过，他说的不是迪斯科闪光灯，而是微观层面发生的事情。

Gardner是纽约城市大学先进科学研究中心结构生物学家，他是使用光控制蛋白活动（即光遗传学研究）领域的专家。利用他和其他蛋白质工程师研发的工具，科学家现在可以利用LED或激光闪光对诸如信号传导或信号移动过程进行微观层面的管理，而不是仅仅观察这些光。例如，他们能够轻而易举地打开或关闭蛋白，或是在细胞内来回移动细胞器。

【4】Nature：光遗传学工具新希望，光驱动钠离子通道KR2结构被解析

原文：doi：10.1038/nature14322

日本科学家在国际著名期刊《自然》发表学术文章称，他们解析出了光驱动钠离子通道蛋白KR2结构，为未来新一代的光遗传学工具创造了可能。

很多生物都可以吸收光的能量或者感知光的信息，靠的是一种视紫红质分子。这种分子是有一个7个α螺旋跨膜蛋白（视蛋白）通过共价键连接在一个视黄醛分子上。根据视蛋白的种类可以分为动物和微生物视蛋白。而微生物的视紫红质功能与动物中不同，主要是作为离子通道，离子转运蛋白，感光分子或者是激酶。这种微生物的视紫红质受到越来越多的关注。这是因为，离子通道和离子泵类型的视紫红质可以用来在很多活体生物的神经细胞活动，已经成为了神经科学领域非常强大的光遗传学工具。

通常认为，席夫碱的带正电荷的氢离子会定位于所有的光离子泵的离子通道中，并且被认为可以阻止阴离子和中性分子通过。KR2结构的解析又提出了新问题，就是这种离子泵是如何转运钠离子的。

【5】Neuron：芝加哥科学家实现光遗传学技术新突破

原文：doi：10.1016/j.neuron.2015.02.033

随着近年来科学家在表观遗传学领域研究的深入，人们开始希望通过体外刺激的方式来控制体内细胞尤其是神经元细胞的状态。这一领域有着广阔的应用前景，如治疗黄斑病变等遗传病。以此为基础，光遗传学等学科纷纷被建立起来。不过，目前为止，为了实现这一目标，研究人员不得不对神经元进行基因改造。这也极大阻碍了这一技术的普及。

最近来自芝加哥大学和伊利诺伊大学芝加哥分校的研究人员们在这一领域实现了突破。研究人员利用远红外光产生的热量来控制正常神经元细胞正常的生命活动。不同于以往在正常神经元细胞中表达光敏蛋白的做法，来自芝加哥的科学家们选择使用金纳米颗粒来定位特定的神经元。为了解决金纳米颗粒专一性的问题，研究人员将一种蝎神经毒素Ts1连接到金纳米颗粒上。

【6】非侵入式神经控制：一种光敏感型蛋白带来了更方便的光遗传学研究

近日，MIT的研究人员研发出一种光敏感型蛋白分子，该分子可以非常有效的用于神经科学研究中使用非侵入式的手段将神经细胞沉默。通过使用这种光敏感型蛋白，长期的神经行为研究将不再需要在脑中植入光敏控制器。

这种分侵入式的方法为光遗传学研究和治愈人类癫痫等神经疾病铺设了宽广的道路。其中光遗传学是近15年来发展起来的一种可以通过光照控制或模拟大脑神经细胞活动变化的一种技术，现在已经广泛应用于神经科学的研究。

在该光敏感型分子出现之前，神经科学家都是通过在大脑神经细胞中嵌入光感受器如光纤，来对神经细胞进行操控，这种试验方法存在着一定的风险，同时也会对实验结果产生一定的影响。而这种光敏蛋白的出现彻底改变了这一局面。为神经科学的研究开创了新的方法。

【7】Learn Mem：利用光遗传学技术来研究机体大脑的神经元及行为复杂性

原文：doi：10.1101/lm.034199.113

近日，刊登在国际杂志Learning & Memory上的一篇研究论文中，来自冲绳科技学院的研究人员通过研究在大鼠体内鉴别出了其负责行为决策的神经元，利用一种特殊的控制神经细胞活性的光学技术，研究人员通过对大鼠大脑的部分区域进行失活作用，揭示了其可以促进大鼠的行为变得更加复杂。

这种特殊技术名为光遗传学（Optogenetics），其可以使得研究人员揭示特定神经元的激活和抑制反应；光遗传学可以通过引发大脑中特殊神经元表达特定对光敏感的蛋白质来进行工作，研究者可以利用一种“光缆”来使大脑照射光线，从而来控制表达光敏感蛋白的神经元的活性。

这项研究中研究者揭示了其如何使用这种技术来抑制一系列神经元“激活”（抑制神经元的活性），文章中研究者描述了大脑中伏隔核（nucleus accumbens）区域受到的影响以及其在控制行为复杂性上的角色，研究者让大鼠去推动2个杠杆中的一个，当其推动一个杠杆时就会获得奖赏，如果其可以继续推动杠杆20次就可以继续获得一个奖赏，而当杠杆被推动21次后，对大鼠的奖赏就会停止；正常情况下大鼠在转化策略之前会不断推动杠杆（即便没有了奖励依然会如此），而后又会推动另一个杠杆获取奖赏，然而当其大脑中的伏隔核功能被关闭后其就会快速改变行为开始推动另一个杠杆获取奖励。

【8】PNAS：光遗传学工具揭示出蝇的社会行为

原文：DOI：10.1073/pnas.1400997111

一项研究说，一种准确控制自由运动的果蝇的行为和神经活动的自动化技术可以让科研人员系统地测绘果蝇脑的社会记忆回路。社会互动对于实现诸如吸引配偶等重要的需求具有关键作用。但是人们对于根据社会互动学习形成记忆的能力背后的神经回路几乎没有了解。

Ann-Shyn Chiang及其同事开发了一种自动激光追踪和光遗传学操纵系统（ALTOMS）用于研究果蝇的社会记忆。自动激光追踪和光遗传学操纵系统（ALTOMS）使用在线图像分析从而计算一只雄性果蝇和一只雌性果蝇在同一个场地内的位置，并且使用一个激光反复照射这只雄性果蝇的腹部，作为每次这只雄性接近这只雌性的一种热惩罚。这组作者报告说，被激光瞄准的雄性迅速学会了避开雌性，而没有被照射的雄性常常继续接近雌性。

【9】Lab Chip：开发出应用于光遗传学的神经移植体

原文：DOI：10.1039/C2LC40874K

激活大脑中单个神经细胞和让它失活是很多神经科学家们想要做的事情，因为这会有助于他们更好地理解大脑如何工作。

在一项新的研究中，来自德国弗莱堡市和瑞士巴塞尔市的研究人员开发出一种移植体，该移植体能够对特异性的神经细胞进行基因改造，利用光刺激来控制这些神经细胞，与此同时测量它们的电活性。这种新的工具为开展全新的神经学实验奠定基础。相关研究结果于2013年1月3日在线发表在Lab on a Chip期刊上，论文标题为"A polymer-based neural microimplant for optogenetic applications：design and first in vivo study"。

【10】Nature：LITE杂合系统在光遗传学上的应用

原文：doi：10.1038/nature12466

Feng Zhang及同事将可定制的TALE DNA结合域与光敏“隐花色素-2”蛋白及其来自拟南芥的相互作用伙伴CIB1结合在了一起，从而生成了一个光遗传“双杂合”系统（他们将其称为LITEs，即“光可诱导的转录效应物”）。LITEs不需要其他辅因子，容易被定制来以很多位点为目标，并且还能快速地、可逆地被激活。它们还可被打包到病毒载体内，定向输送到特定细胞类群中。作者将这一系统应用到了小鼠的原代神经元中和清醒小鼠的脑中，来调制内源基因表达和定位表观染色质修饰。这一LITE系统为内源细胞过程的光遗传控制建立了一个新颖模型。（生物谷Bioon.com）

本文系生物谷原创编译整理，欢迎转载！点击 获取授权 。更多资讯请下载生物谷APP.

更多精彩盘点！敬请关注生物谷！