Fortschritte in der optischen Genetik

LichtGenetikDie Optogenetik ist in den letzten Jahren eine rasant entwickelteSoftwareMultidisziplinäre Bioengineering-Technologien wie Steuerung, Genbedienung und Elektrophysiologie. Das Hauptprinzip besteht darin, zunächst eine Genmanipulationstechnik zu verwenden, um lichtempfindliche Gene wie ChR2, eBR, NaHR3.0, Arch oder OptoXR usw. in bestimmte Zelltypen im Nervensystem zu übertragen, um einen speziellen Ionenkanal oder GPCR auszudrücken. Der optische Ionenkanal wird bei Lichtstimulierung mit unterschiedlichen Wellenlängen selektiv für den Durchgang von Cationionen oder Anionen erzeugt, wodurch sich das Membranpotential auf beiden Seiten der Zellmembran ändert, um den Zweck der selektiven Anregung oder Unterdrückung der Zelle zu erreichen.

Die optische genetische Technologie hat die hohe Raum-Zeit-Auflösung und die Zelltyp-Spezifikation der beiden Hauptmerkmale, die viele Nachteile der herkömmlichen Mittel zur Kontrolle der Aktivität von Zellen oder Organismen überwinden, die nicht-invasive Positionsstimulationsmanipulation der Neuronen durchführen können und die Forschungszustand auf dem Gebiet der Neurowissenschaften verändern, um die Neurowissenschaft mit revolutionären Forschungsmitteln zu versorgen. LichtGenetikEs ist auch möglich, in Zukunft neue Therapien für eine Reihe von Erkrankungen des zentralen Nervensystems zu entwickeln.

LichtGenetikDie Anwendung der wissenschaftlichen Technologie hat sich nach 2010 schnell entwickelt und umfasst eine Vielzahl klassischer Experimentaltierarten (Fruchtfliegen, Würmer, Mäuse, Ratten, Fleischafen und Krabbenfresser) und umfasst verschiedene Aspekte der neurowissenschaftlichen Forschung, einschließlich neuronaler Kreislaufen.GrundlagenforschungStudien zum lernenden Gedächtnis, Suchtstudien, Bewegungsstörungen, Schlafstörungen, Parkinson-Modelle,DepressionenAnwendungen wie Tiermodelle für Angststörungen.

Bei der Anwendung der fotogenetischen Technologie müssen die Wissenschaftler zuerst nach dem richtigen lichtempfindlichen Protein suchen; Anschließend erfolgt die entsprechende Übertragung genetischer Informationen, d.h. durch Transfektion,Gen veränderte TiereMethoden zum Aufbau von Lichtempfindlichen ProteinenGenetikInformationen an Zielzellen übertragen; Anschließend nutzten die Wissenschaftler die Demonstration der Kontrollabilität, um eine Demonstration der zellulären Aktivität zu erreichen, indem sie die Lichtspezifizität aus Zeit und Raum steuerten. Nachdem die Ergebnisse gelesen wurden, können Forscher Elektroden verwenden, um die Fluoreszenzeffektänderungen von lichtempfindlichen Proteinen zu messen, indem sie die Spannung innerhalb und außerhalb der Zellmembran erkennen, und fluoreszierende Biosensoren verwenden, um die Auslesewerte verschiedener Zellen zu erkennen, um die Auswirkungen der Anpassung der Zellaktivität auf das gesamte Tier durch Verhaltenstests zu bewerten.

Aus diesem Grund ist das LichtGenetikMit den jüngsten Fortschritten in der Technik, kleine Editionen durchführen eine Inventarisierung, um die Leser.

1. Cell: Großer Fortschritt! Erweiterung des Optogenetik-Toolkits durch die Vertiefung der violetten Masse
doi:10.1016/j.cell.2018.09.026

In einer neuen Studie haben Forscher von Institutionen wie dem Howard Hughes Medical Institute in den USA eine neue Methode entdeckt, um eine Klasse von lichtempfindlichen Proteinen namens Rhodopsin zu modifizieren. Indem sie diese Proteine in der Zellmembran umdrehen, können sie Werkzeuge mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen. Die Ergebnisse wurden am 18. Oktober 2018 in der Zeitschrift Cell mit dem Titel "Expanding the Optogenetics Toolkit by Topological Inversion of Rhodopsins" veröffentlicht. Die Autoren der Dissertation sind Joshua Dudman und Alla Karpova vom Howard Hughes Medical Institute. Diese Technologie ermöglicht LichtGenetikDie Optogenetik - eine Technik, die Licht verwendet, um die Aktivität von Neuronen zu manipulieren - verdoppelt die Anzahl der Proteine. Diese neu entwickelten Hybridretinoproteine ermöglichten es den Forschern, neue Experimente durchzuführen, die dazu beitragen, Gehirnkreislaufen zu analysieren und die Neurowissenschaften hinter der Behandlung der Parkinson-Krankheit zu untersuchen.

Inspiriert von der Evolution entwickelten die Forscher unter der Leitung von Jennifer Brown, Reza Behnam, Luke Coddington und Gowan Tervo eine ergänzende Technik, um neue optische Violettmasse zu modifizieren. Neben den Mutationen hat das Vorhandensein von Rekombinationen - durch Gen-Reshuffling, die unterschiedlich funktionierende Proteindomanen miteinander verbinden - auch eine Vielfalt von Proteinen in der Natur verursacht. Die Wissenschaftler glauben, dass die Rekombination für das Auftreten einer kleinen Gruppe von Proteinen entscheidend ist, deren Orientierung sich durch die Evolution in der Zellmembran ändert.

Als die Forscher die Rekombination simulierten, indem sie ein neues Protein an einem Ende eines Fibroretins hinzufügten, trat es um. Das ist wirklich unerwartet. Wenn jedes bestehende modifizierte oder neu entdeckte optische Violett beim Umdrehen eine neue Funktion erhält, könnte dies dazu führen, dass Licht verwendet wird.GenetikDas Protein-Werkzeug in der Lerntechnologie verdoppelt. Sie waren nicht nur in der Lage, die Orientierung von Proteinen in der Zellmembran zu ändern, sondern auch zu entdecken, dass diese neuen modifizierten Fibrorosin * und nützliche neue Funktionen haben. Eines davon, FLInChR (Full Length Inversion of ChR), aktiviert Neuronen am Anfang. Bei einer Umkehr wird es zu einem starken und schnellen Inhibitor, der zur Durchführung neuer Experimente verwendet werden kann.

Großer Durchbruch in der Wissenschaft! Die Umwandlung von Nanopartikeln hilft tiefe Stimulation des Gehirns! Oder wird die Behandlung von neurologischen Erkrankungen unterbrechen!
doi:10.1126/science.aaq1144; Doi:10.1126/wissenschaft.aar7379

Thomas McHugh, Leiter des Instituts für Gehirnwissenschaften am japanischen Institut für Physikalische und Chemische Forschung (RIKEN), und seine Kollegen haben nun neue Wege gefunden, Licht nicht-invasiv in die Tiefe des Gehirns zu bringen. In einem gestern in der Zeitschrift Science veröffentlichten Artikel nutzten sieNanoPartikel (UCNPs) bringen den Laser in die Tiefe des Schädels. Diese.NanoPartikel können im herkömmlichen LichtGenetikUnerreichbare Tiefen absorbieren nahes Infrarotlicht und verwandeln es in sichtbares Licht. Diese Methode wird verwendet, um Neuronen in verschiedenen Gehirnregionen zu aktivieren, Epilepsie zu schweigen und Gedächtniszellen zu aktivieren. "Nanopartikel können effektiv die Tiefe verlängern, die unsere Fasern erreichen können, wodurch die Fernlieferung von Licht für eine nicht-invasive Therapie möglich ist", sagt McHugh.

Neben der Aktivierung von Neuronen können UCNPs auch zur Unterdrückung der Epilepsie in Mäusen verwendet werden. Die Forscher injizierten den Hippocampus-Bereich der Mäuse mit Nanopartikeln, die grünes Licht emittieren konnten, und bestrahlten sie anschließend mit nah-infrarotem Licht auf der Schädeloberfläche. Als Ergebnis wurden die epileptischen Neuronen dieser Mäuse effektiv zum Schweigen gebracht. In einer anderen Region, die als innerer Kern bezeichnet wird, fördert das Licht von Nanopartikeln die Synchronisation des neuronalen Theta-Zyklus, einer wichtigen Hirnwelle. Bei Mäusen mit Angstgedächtnissen haben die Forscher erfolgreich das Angstgedächtnis der Mäuse im Hippocampus angeregt, indem sie leuchtende UCNPs verwendeten. Diese neuronalen Aktivierungs-, Unterdrückungs- und Gedächtniserregungseffekte wurden nur bei Mäusen beobachtet, denen Nanopartikel injiziert wurden.

Wissenschaft: Förderung der Entwicklung der optischen Genetik! Analyse der dreidimensionalen Struktur des Violettkanalproteins 2
doi:10.1126/science.aan8862; Doi:10.1126/wissenschaft.aar2299

Channelrhodopsin 2 (ChR2) ist ein Membranprotein, das weit verbreitet in der Optogenetik verwendet wird. LichtGenetikDie Technologie ist eine relativ neue Technologie, die die Verwendung von Licht zur Manipulation von Neuronen und Muskelzellen in lebenden Organismen beinhaltet. Ähnliche Methoden wurden verwendet, um den Hör-/Sehverlust teilweise umzukehren und die Muskelkontraktion zu kontrollieren.

Um die Struktur von ChR2 aufzudecken, verwendeten Forscher aus Deutschland, Frankreich, Russland und der Tschechischen Republik eine Analysetechnik, die als Röntgendiffraktion bekannt ist. Diese Technik wird nur zur Analyse von Proteinproben verwendet, die in kristalliner Form vorhanden sind. Sie kultivierten ChR2-Proteinkristalle in einer sogenannten kubischen Lipid-Mesophase, die es dem Protein erlaubt, sich frei zu bewegen, ohne die Membran zu verlassen. Sie benutzten Röntgenlängen von etwa 1 μm, um ihre kultivierten ChR2-Proteinkristalle zu bestrahlen, und durch die Analyse der Diffraktion der Röntgenstrahlen in diesem Proteinkristall konnten sie die Struktur des ChR2-Proteins erfolgreich analysieren. Die Ergebnisse wurden am 24. November 2017 in der Zeitschrift Science mit dem Titel "Structural insights into ion conduction by channelrhodopsin 2" veröffentlicht.

Hippocampus: "Optogenetische" Therapie oder in der Lage, die Erinnerung von einigen Alzheimer-Patienten wiederherzustellen
Doi:10.1002/hipo.22756

Kürzlich veröffentlichten Forscher der Columbia University einen Artikel in der Zeitschrift Hippocampus, dass Licht durchGenetikDas Lernmethod kann das Gedächtnis von Mäusen mit Alzheimer wiederherstellen. Diese Entdeckung könnte unser Verständnis dieser Krankheit verändern.

Zunächst haben die Autoren die Mäuse optisch genetisch modifiziert, so dass sie eine leuchtende Fluoreszenz beim Speichern von Erinnerungen und eine rote Fluoreszenz beim Wiedererlangen von Erinnerungen emittieren. Danach hat der Autor akzeptiert.GenetikDie modifizierten Wildtyp-Mäuse und die Alzheimer-Mäuse wurden durch den Geruch einer Zitrone stimuliert und anschließend durch elektrische Stimulationen verbunden. Eine Woche später gaben die Autoren diesen Mäusen erneut einen Stimulus durch den Geruch von Zitronen. Die Ergebnisse zeigten, dass Mäuse des wilden Typs in der Lage waren, gelbe und rote Fluoreszenzen gleichzeitig zu zeigen und Angst aufzuzeigen, was darauf hindeutet, dass sie sich während der Bildung von Erinnerungen auch an Erinnerungen erinnern. Allerdings leuchteten die Gehirnregionen von Alzheimer-Mäusen deutlich anders, was darauf hindeutet, dass ihr Gehirn bei der Wiederaufnahme des Gedächtnisses gestört wurde. Anschließend nutzten die Forscher einen blauen Lichtstrahl, um das Gehirn der Mäuse zu stimulieren, so dass die Mäuse wieder in der Lage waren, ihre Erinnerungen an den Zitronengeuch und die elektrischen Stimulationen zu aktivieren, so dass die Mäuse zittern, wenn sie diesen Geruch wieder riechen.

Cell: Optogenetik macht Mäuse zum Kämpfer
doi:10.1016/j.cell.2016.12.027

In jeder Maus steckt ein Killer. Forscher haben die Bereiche im Gehirn gefunden, die das Jagdverhalten kontrollieren, und haben erfolgreich eine Möglichkeit gefunden, ihre Schalter zu steuern. Dr. Ivan de Araujo und seine Kollegen von der Yale University entdeckten zwei Gruppen von Nerven im Gehirn, die das Jagdverhalten von Mäusen kontrollieren, eine Gruppe, die die Beute verfolgt, und eine andere, die die Muskeln des Nackens und des Unterkiefers kontrolliert, beide in der Mandel, der Region des Körpers, in der Bewegungen, Gefühle und Angst involviert sind.

Indem sie diese Nerven modifizieren, können sie diese Nerven mit einem Laser aktivieren. Diese Technik nennt man Licht.GenetikDas Forscherteam ist daher in der Lage, die Schalter dieser Wege jederzeit zu steuern. Wenn der Laser ausgeschaltet ist, laufen die Mäuse normalerweise um den Käfig, und sobald der Laser eingeschaltet ist, greifen die Mäuse alles auf ihrem Weg an: Lebende Grillen, gefälschte Insekten oder sogar Zweige oder Flaschendeckel. Sie springen auf die Beute, fangen die Beute mit ihren Klauen und reißen sie wiederholt ab.

Danach versuchten die Forscher, die Funktion der einzelnen Nervengruppen zu unterdrücken, und als sie die Nerven unterdrückten, die für die Jagd an Beute verantwortlich waren, jagten die Mäuse langsamer, reißen sie aber immer noch. Wenn wiederum die Nerven unterdrückt werden, die für das Reißen verantwortlich sind, jagen die Mäuse die Beute, reißen aber nicht.

Oncotarget: Optogenetik zur Kontrolle der Tumorentstehung
Doi:10.18632/oncotarget.8036

In einer neuen Studie haben Forscher der Tufts University auf der Grundlage eines Froschmodells bestätigt, dass Licht die elektrischen Signale zwischen den Zellen steuert, die Tumorbildung verhindert und sie normalisiert, nachdem sie gebildet wurden. Diese Studie berichtete über die Verwendung von LichtGenetikLernen Sie spezifisch zu manipulieren Bioelektrische Signale, um die Krebsgen-induzierte Tumorbildung zu verhindern und zu verursachenTumorenZurück. Die Ergebnisse wurden am 16. März 2016 in der Zeitschrift Oncotarget mit dem Titel "Use of genetically coded, light-gated ion translocators to control tumorigenesis" veröffentlicht.

Frösche sind ein guter Musterbeogen für die grundlegende wissenschaftliche Krebsforschung, weil Tumoren von Fröschen und Säugetieren viele der gleichen Eigenschaften haben, darunter eine schnelle Zellteilung, Gewebezerstörung, erhöhtes Gefäßwachstum, invasive und Zellen mit abnormen internen positiven Spannungen. Fast alle gesunden Zellen haben eine größere negative Spannung im Inneren als außerhalb der Zelle. Das Öffnen und Schließen von Ionenkanälen in der Zellmembran kann dazu führen, dass die Spannung positiver wird (die Zelle depolarisiert) oder negativer wird (die Zelle depolarisiert). unter anderen normalen Bedingungen verwendet werden.TumorenDie anormalen bioelektrischen Signalmerkmale können sie erkennen.

Neuron: Gedächtnis löschen? Zukunft vielleicht.
doi:10.1016/j.neuron.2014.09.037

In einem kürzlich in der Zeitschrift Neuron veröffentlichten Forschungsarbeit haben Forscher des Neurowissenschaftszentrums der Universität von Kalifornien, Davis, Licht verwendet, um spezielle Erinnerungen aus dem Gehirn von Mäusen erfolgreich zu entfernen, was eine Idee liefert, wie verschiedene Teile des Gehirns zusammenarbeiten, um die Erinnerung an Szenarien wiederherzustellen.

LichtGenetikDie Optogenetik ist eine neue Technologie, die Licht zur Untersuchung von Nervenzellen verwendet, die in den letzten Jahren schnell von Wissenschaftlern als Standardmethode zur Untersuchung der Gehirnfunktion eingesetzt wird. Der Forscher Kazumasa Tanaka, der diese Technik in Forschungen zur Erinnerungswiederherstellung anwendet, hat seit 40 Jahren angenommen, dass die Wiederherstellung von Szenarien (auch bei besonderen Ereignissen, die an bestimmten Orten stattfinden, etc.) eine koordinierte Aktivität zwischen der Hirnkortex und dem Hippocampus beinhaltet.

In diesem Artikel nutzen die ForscherGenetikModifizierte Mäuse wurden untersucht, dass sie alle grüne Fluoreszenz emittieren und spezielle Proteine ausdrücken können, um das Licht der Nervenzellen auszuschalten, wenn sie aktiviert wurden, die Forscher trainierten Mäuse in einem Käfig, die Mäuse in einem Käfig erlebten einen elektrischen Schock, die Mäuse, die normalerweise in einer neuen Umgebung waren, benutzten ihren Geruchssinn, um sich an die Umgebung anzupassen, aber wenn sie einen elektrischen Schock in einer neuen Umgebung hatten, waren sie in einer Angstreaktion.

8.Nature: Neue Hoffnung für optische Genetikwerkzeuge, die Struktur des optisch angetriebenen Natrium-Ionen-Kanals KR2 wird analysiert
Doi:10.1038/Natur14322

Japanische Wissenschaftler veröffentlichten in der Zeitschrift Nature einen wissenschaftlichen Artikel, in dem sie die Struktur des Licht-angetriebenen Natrium-Ionen-Kanal-Proteins KR2 für zukünftige Lichtgenerationen analysiert haben.GenetikLernwerkzeuge schaffen Möglichkeiten.

Viele Lebewesen können Lichtenergie aufnehmen oder Lichtinformationen wahrnehmen, indem sie auf ein Molekül von violett-roter Materie beruhen. Dieses Molekül hat ein sieben-alpha-Spiral-Transmembran-Protein (Retin), das über eine Kovalenzbindung an ein Retin-Molekül verbunden ist. Abhängig von der Art von Retin kann in tierische und mikrobielle Retin unterteilt werden. Die Funktion von Mikroben unterscheidet sich von Tieren, hauptsächlich als Ionenkanäle, Ionentransporterproteine, Lichtempfindliche Moleküle oder Kinases. Die optische Violettqualität dieses Mikrobiems wird zunehmend aufgemerkt. Dies liegt daran, dass Ionenkanäle und Ionenpumpe-Typen von VIP für die Aktivität von Nervenzellen in vielen Lebewesen verwendet werden können und sehr starkes Licht im Bereich der Neurowissenschaften geworden sind.GenetikLernwerkzeuge.

Es wird allgemein angenommen, dass positiv geladene Wasserstoffionen von Schiff-Alkalinen in den Ionenkanälen aller Photonenpumpen lokalisiert werden, und es wird angenommen, dass sie Anionen und neutrale Moleküle hindern können. Die Analyse der KR2-Struktur stellt eine neue Frage, wie diese Ionenpumpe Natriumionen transportiert.

Neuron: Chicago-Wissenschaftler erzielen einen neuen Durchbruch in der Optogenetik
doi:10.1016/j.neuron.2015.02.033

In den letzten Jahren haben WissenschaftlerEpigenetikMit der Vertiefung der Feldforschung begann man, den Zustand der Körperzellen, insbesondere der Neuronen, durch in vitro-Stimulationen zu kontrollieren. Dieser Bereich hat eine breite Anwendungsperspektive, wie zum Beispiel bei der Behandlung von genetischen Erkrankungen wie Makulapathien. Auf dieser Grundlage ist das LichtGenetikUnterrichtsdisziplinen wurden geschaffen. Bisher mussten die Forscher jedoch die Neuronen genetisch modifizieren, um dies zu erreichen. Dies behindert auch die Verbreitung dieser Technologie erheblich.

Kürzlich haben Forscher der University of Chicago und der University of Illinois in Chicago einen Durchbruch auf diesem Gebiet erzielt. Die Forscher nutzten die Wärme, die durch fernes Infrarotlicht erzeugt wird, um die normale Lebensaktivität der normalen Neuronenzellen zu kontrollieren. Im Gegensatz zu früheren Praktiken, bei denen lichtempfindliche Proteine in normalen Neuronenzellen ausgedrückt wurden, entschieden sich die Wissenschaftler aus Chicago, Goldnanopartikel zu verwenden, um bestimmte Neuronen zu lokalisieren. Um das Problem der Einzigartigkeit von Goldnanopartikeln zu lösen, verbindeten die Forscher ein Skorpionsneurotoxin Ts1 mit Goldnanopartikeln. Ts1 kann auf die Erkennung von Neuronen ausgerichtet sein, indem er Natriumionenkanäle auf der Oberfläche der Neuronen erkennt. Das ist auch der Mensch, der keine Neuronen verändert.GenetikAuf der Grundlage der Eigenschaften, um den Zweck der photocontrolled neuronalen Aktivität zu erreichen. Die Studie ist jedoch noch in einem frühen Stadium, und die Forscher sagen auch, dass Ts1 für Neuronen toxisch sein könnte. Die Studie wurde in der Zeitschrift Neuron veröffentlicht.

Nat Methoden: Lichtempfindliche Kontrollzellziele
Doi:10.1038/nmeth.3735

In einer in der Zeitschrift Nature Methods veröffentlichten Studie haben Forscher der Carnegie Mellon University in den USAGenetikDie Neugestaltung von Lichtempfindlichen entwickelte eine Fluoreszenzsonde zur Kontrolle von Zellen, eine Technologie, die helfen könnte, die Rolle bestimmter Zellen und Proteine bei der Entstehung von Krankheiten zu verstehen, und bietet Hoffnung für die Entwicklung von gezielten Therapien für Krebs oder andere Erkrankungen in einem späteren Stadium.

Optogenetik ist die Verwendung von Licht, um die biologischen Prozesse des Organismus zu steuern, Forscher in der Regel durch die Neuprogrammierung von optisch aktivierten Komponenten in den genetischen Code des Organismus, um den Prozess der Licht-kontrollierten Zellen zu erreichen, wenn diese Komponenten dem Licht ausgesetzt sind, fördert es einige Körpergewebe zu spielen * verschiedene Funktionen. Die Forscher haben fast zehn Jahre damit verbracht, Fluoreszenzsonden namens Fluorogen-Aktivierende Proteine (FAPs) zu entwickeln, die häufig verwendet werden, um die Aktivität von Proteinen in lebenden Zellen in Echtzeit zu überwachen.GenetikIm sexuellen Ausdruck leuchtet der Komplex, wenn er mit dem Fluoreszenzfarbstoff in Kontakt kommt, der Fluoreszenzgenerin genannt wird, so dass Wissenschaftler ihn beobachten und verfolgen können.

Forscher Bruchez sagte, dass die Entwicklung von LichtGenetikIn diesem Artikel haben wir Fluoreszenzfarbstoffe so entwickelt, dass sie nicht nur leuchten, sondern auch Singlet Oxygen (Singlet Oxygen) erzeugen können, eine toxische Form von Sauerstoff, die sich an das Fluorescent-Aktivierungsprotein bindet und dem Licht ausgesetzt ist, die gezielte Fluorescent-Aktivierungsprotein und die Lichtaktivierungsmethode (FAP-TAPS) ermöglicht es den Wissenschaftlern, das markierte Protein klar zu sehen und die Aktivität dieser Proteine selektiv zu unterdrücken. (Biologisches Tal)