光遺傳學(xué)（生物學(xué)科專業(yè)術(shù)語(yǔ)）

光遺傳學(xué)（生物學(xué)科專業(yè)術(shù)語(yǔ)）

光遺傳學(xué) （生物學(xué)科專業(yè)術(shù)語(yǔ)） 次瀏覽 | 2022.09.18 13:37:55 更新 來(lái)源 ：互聯(lián)網(wǎng) 精選百科 本文由作者推薦 光遺傳學(xué)生物學(xué)科專業(yè)術(shù)語(yǔ)

光遺傳學(xué)（optogenetics），即結(jié)合遺傳工程與光來(lái)操作個(gè)別神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)的方法，相關(guān)技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)腦部如何產(chǎn)生γ波（gamma oscillations），并為它們?cè)谡{(diào)控腦部功能中的角色提供新證據(jù)，這將有助于發(fā)展一系列腦相關(guān)失調(diào)的新療法。

名稱

光遺傳學(xué)

研究范圍

通過(guò)使用光學(xué)技術(shù)和遺傳技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制細(xì)胞行為的方法

研究對(duì)象

光刺激基因工程

著名專家

艾德·博伊

簡(jiǎn)介光遺傳學(xué)

光遺傳學(xué)（optogenetics）是結(jié)合遺傳工程與光這一新的光控方法來(lái)選擇和打開某種生物的某一類細(xì)胞，并操作個(gè)別神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)腦部如何產(chǎn)生γ波（gamma??oscillations），并為它們?cè)谡{(diào)控腦部功能中的角色提供新證據(jù)的嶄新學(xué)科。它可以幫助科學(xué)家在體研究特定組織細(xì)胞，如某類神經(jīng)元細(xì)胞的功能，在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步分析病理生理情況下這些細(xì)胞的生物學(xué)功能的變化，并可通過(guò)感光刺激影響調(diào)節(jié)特定神經(jīng)元細(xì)胞的功能。?

光遺傳學(xué)克服了傳統(tǒng)的只用光學(xué)手段控制細(xì)胞或有機(jī)體活動(dòng)的許多缺點(diǎn)，為神經(jīng)科學(xué)提供了一種變革性的研究手段。這將有助于發(fā)展一系列腦相關(guān)失調(diào)的新療法。光遺傳學(xué)被《自然》雜志評(píng)選為“2010年度最受關(guān)注科技成果技術(shù)”之一。

概念提出

2006?年，卡爾·迪賽羅斯（Karl?Deisroth）首次提出光遺傳學(xué)（Optogenetics），并與26歲的愛德華·博伊登（Edward?Boyden）一起，開創(chuàng)光遺傳學(xué)時(shí)代。[1]

光遺傳學(xué)技術(shù)最先是由斯坦福大學(xué)的研究人員用于神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的，是一種通過(guò)使用光學(xué)技術(shù)和遺傳學(xué)技術(shù)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)控制細(xì)胞行為的方法，他們將這項(xiàng)技術(shù)稱之為Optogenetics（optical stimulation plus genetic engineering光刺激基因工程/光遺傳學(xué)）。該技術(shù)的關(guān)鍵是：先給動(dòng)物的某種特定細(xì)胞轉(zhuǎn)入一種特殊基因，這種基因表達(dá)產(chǎn)物能夠?qū)Σ煌伾獾拇碳ぷ鞒雒舾械姆磻?yīng)，再利用不同顏色的激光照射來(lái)激活或者抑制細(xì)胞的功能。

研究方法和特點(diǎn)

光遺傳學(xué)技術(shù)的運(yùn)用包括四個(gè)步驟：

第一、找尋合適的光敏蛋白。蛋白質(zhì)可以是具有天然的光敏性，也可以是經(jīng)過(guò)化學(xué)修飾而具有光敏性。

第二、遺傳信息傳遞。通過(guò)轉(zhuǎn)染、病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物系的建立等方式將光敏蛋白的遺傳信息傳遞給目標(biāo)細(xì)胞。

第三、可控性演示。通過(guò)從時(shí)間和空間上控制演示光線的特定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞活動(dòng)的精確演示。

第四、讀取研究結(jié)果。可采用電極通過(guò)檢測(cè)細(xì)胞膜內(nèi)外電壓來(lái)測(cè)量光敏蛋白的熒光效果變化，并可用熒光性生物傳感器來(lái)檢測(cè)不同細(xì)胞的讀出值。

最后，通過(guò)行為測(cè)試來(lái)評(píng)估調(diào)整細(xì)胞活動(dòng)對(duì)整個(gè)動(dòng)物的影響。

科學(xué)研究

光影響小白鼠的大腦

斯坦福大學(xué)的研究人員可以使用光來(lái)影響小白鼠的大腦，讓一只患有帕金森癥的小白鼠重新站立起來(lái)，甚至是重新走路。

斑馬魚幼魚細(xì)胞中靶向插入光敏開關(guān)

研究人員在清醒的斑馬魚幼魚的這些細(xì)胞中靶向插入光敏開關(guān)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞產(chǎn)生了突發(fā)的游泳行為—典型的周期性擺尾。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可能為人類相關(guān)的研究提供一種啟發(fā)，因?yàn)椴溉閯?dòng)物也有類似的細(xì)胞。此外，這項(xiàng)研究也凸現(xiàn)了新技術(shù)的亮點(diǎn)，使用光控開關(guān)-光柵離子通道并結(jié)合基因靶向定位可以輕松研究某一類型的細(xì)胞。

人的神經(jīng)病學(xué)疾病

研究表明在罹患精神分裂癥與其他精神病學(xué)與神經(jīng)病學(xué)疾病的患者身上（被擾亂）會(huì)出現(xiàn)γ波，光遺傳學(xué)新工具給予科學(xué)家很大的機(jī)會(huì)來(lái)探索這些信號(hào)通路的功能。γ振蕩反映出大型互連神經(jīng)元網(wǎng)路的同步活動(dòng)，以范圍在每秒20?-?80周期的頻率發(fā)射。這些振蕩被認(rèn)為由一種特殊的抑制細(xì)胞（inhibitory?cells）稱為快閃中間神經(jīng)元（fast-spiking?interneurons）所控制，但這一設(shè)想并未得到具體的證實(shí)。

為了測(cè)定哪些神經(jīng)元負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)這種振蕩，研究人員利用一種被稱為?channelrhodopsin-2（ChR2，第二型離子通道視紫質(zhì)）的蛋白，這種蛋白能使神經(jīng)元對(duì)光敏感。通過(guò)結(jié)合遺傳學(xué)技術(shù)，研究人員在不同類型的神經(jīng)元中表達(dá)了ChR2，通過(guò)激光與遍及腦部的光纖，精確調(diào)控它們的活性。

技術(shù)應(yīng)用

使用這些光遺傳學(xué)（optogenetic）工具，能夠激活清醒哺乳動(dòng)物的單一神經(jīng)元，并直接演示神經(jīng)元激活表現(xiàn)出的行為結(jié)果。光遺傳學(xué)方法使得研究人員能夠獲得關(guān)于脊髓回路的一些重要信息。這種新技術(shù)可以推廣到所有類型的神經(jīng)細(xì)胞，比如大腦的嗅覺、視覺、觸覺、聽覺細(xì)胞等。光遺傳學(xué)開辟了一個(gè)新的讓人激動(dòng)的研究領(lǐng)域，可以挑選出一種類型的細(xì)胞然后發(fā)現(xiàn)其功能。

重要意義

光遺傳學(xué)在大腦神經(jīng)環(huán)路研究中的重要作用，對(duì)于包括神經(jīng)分裂癥和自閉癥等方面的精神疾病的治療具有重要意義。

未來(lái)展望

光遺傳學(xué)技術(shù)是神經(jīng)生物學(xué)研究的重要突破，利用該技術(shù)開展的基礎(chǔ)研究，將對(duì)人類腦功能的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。如果病毒載體基因?qū)朐谌梭w被證實(shí)是安全的，光遺傳學(xué)技術(shù)將來(lái)有可能被用于多種神經(jīng)/精神疾病，如帕金森氏病、阿爾茨海默病、脊髓損傷、精神分裂癥等的治療。光遺傳學(xué)技術(shù)還可以與其他神經(jīng)生物學(xué)研究工具有機(jī)結(jié)合，如功能性磁共振造影（fMRI），提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

學(xué)科評(píng)價(jià)

隨著光遺傳學(xué)在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和重要性的日趨凸顯，不久的將來(lái)有望成為諾貝爾獎(jiǎng)青睞對(duì)象。

參考資料