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文献汇报讲义

此次是我的第一次组会，因此此次的内容需要很大的改进

本次汇报的文献是：通道视紫红质的种类与功能

读这篇文献需要熟练掌握非常多的专业知识，对于我来说还需要

多阅读更多文献才能真的看懂。

因此我们需要先了解这篇文献的一个关键领域——光遗传！

光遗传学

NatureMethods在2010年选出的年度最佳方法是光遗传。

（PPT第2页）Speak：

尽管几十年来科学家们一直在追求利用光来控制细胞活动的构

思，但可用的方法存在缺陷，限制了它们的实用性。因此Nature

Methods2010年度最佳方法光遗传学克服了许多这些缺点，将光和

基因编码的光敏蛋白结合起来，控制活细胞和生物体的行为。例如，

基因靶向在完整的动物体内提供了精细的细胞特异性，这是完全依赖

于信号分子的光学释放的其他光刺激方法无法实现的。

这张图是戴瑟罗斯实验室中，将光纤插入到具有光激活神经元的

小鼠脑中并对其行为进行研究。

（PPT第3页）speak：

光遗传学（Optogenetics）是遗传学的基因操作技术和光学的相

互结合与共同作用。是个多义词，通常表示“用光控制经过基因改造

表达光敏离子通道的神经细胞”的生物技术，包括“发现赋予生物光

反应性的基因并将其插入其它生物的特定细胞（开发光敏蛋白，图1）”

“将不同的光敏蛋白定位到特定的细胞类型（将其基因传递到特定细

胞的策略）”“将光脉冲精确发射到活的复杂生物体深处（定向照

明）”“用于评估光控制效果的数值项目与仪器（用于报告细胞、组

织和动物行为变化的兼容读数，图3）”等。

这个术语也可以表示“对经过基因改造表达荧光之类特征的神经

细胞的活动进行光学监测”和“利用光对神经细胞之外的细胞经过基

因改造的生化途径进行控制”。

光遗传学技术可在数毫秒内改变组织培养物或活动物体内若干

个神经细胞的兴奋或抑制状态，影响自由移动的活动物的行为，对研

究正常大脑功能和各种脑部疾病十分重要。

图1用于膜电压调制的光遗传工具

光遗传学最常见的用途之一是改变可兴奋细胞的膜电压电位。在

神经元中，膜去极化导致瞬间电信号(峰电位)的激活，这是神经元通

讯的基础。相反，膜超极化导致这些信号的抑制。控制操作这些电流

的“开关”使神经科学家能够研究神经元在功能上如何相互关联以及

神经元电路如何控制行为。通过外源性表达能够改变神经元膜电位的

光激活蛋白，光可以作为开关。

这些神经元开关中的第一个使用通道视紫红质-2(ChR2)。当在神

经元中表达并暴露在蓝光下时，这种非选择性阳离子通道立即使神经

元去极化并触发尖峰。ChR2的几个变种已经被开发出来。

CHETA突变体被设计成更快的ChR2变体，可以用来以高于40赫

兹的频率刺激神经元。

相比之下，具有阶跃功能视蛋白或SFO变体，是ChR2的较低频

率版本，在暴露于蓝光时可以在神经元中诱导长期稳定的可兴奋状态，

然后在暴露于绿光时被逆转。

通道视紫红质-1(VChR1)的作用类似于ChR2，但被红移光激活。

光刺激氯化物泵卤视紫红质(NpHR)会使神经元超极化，并抑制对

黄色光的反应。

最近的突变体(命名为eNpHR2.0和eNpHR3.0)在哺乳动物细胞中

显示了更好的膜靶向性，从而改善了光电流。光驱动的质子泵如古紫

质-3(Arch)、Mac、细菌视紫红质(EBR)和视紫红质-3(GtR3)也可以用

来超极化神经元和阻断信号。

图2用于调节细胞内信号传导的光遗传学工具

已经出现可以控制细胞内的信号级联和分子间的相互作用的光

遗传工具。这些工具通常是光吸收域与蛋白质“效应器”域的融合。

由牛视紫红质和肾上腺素G蛋白偶联受体的细胞内成分组成的嵌合

蛋白，称为OptoXRs，允许对G蛋白介导的信号级联进行光学控制。

非膜相关的光敏蛋白，如光、氧、电压(LOV)结构域、光敏色素或

植物隐花色素，可以与细胞效应蛋白融合产生光敏变体。LOV2结构域

使用天然编码的黄素作为发色团，是光激活融合蛋白(如LOV2-RAC)

的基础。蓝光诱导LOV2结构域的构象改变，导致Rac