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化學遺傳操控技術的原理、技術特點及實際應用的介紹

瀏覽次數(shù):36 發(fā)布日期:2025-7-14  來源:本站 僅供參考,謝絕轉載,否則責任自負

在神經(jīng)科學領域,化學遺傳操控技術正逐漸成為研究小鼠大腦功能的利器。其中,DREADDs(Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs)系統(tǒng)憑借其精準、可逆的調控特性,成為科學家手中的“分子開關”,而CNO(氯氮平-N-氧化物)則是驅動這一系統(tǒng)的核心“鑰匙”。以下將從原理、技術特點到實際應用,全面解析這一技術的魅力。


圖1. 化學遺傳學改造天然受體得到的人工受體[1]

化學遺傳操控:精準調控神經(jīng)元的“遙控技術”
傳統(tǒng)基因操作難以實現(xiàn)對特定神經(jīng)元活動的實時調控,而化學遺傳技術通過“人工受體+小分子配體”的組合,解決了這一難題。

其核心理念是:向目標細胞植入改造后的受體蛋白(如DREADDs),這些受體僅能被特定的小分子藥物(如CNO)激活,從而精確控制神經(jīng)元的興奮或抑制狀態(tài)。相較于光遺傳學,化學遺傳無需光纖植入或外部設備,僅需注射或喂食藥物即可實現(xiàn)遠程操控,且適合長時間實驗(如慢性研究)。

DREADDs系統(tǒng):人工受體的“智能設計”
DREADDs是通過基因工程改造的G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR),其最大特點是僅對特定藥物產(chǎn)生響應,避免了天然配體的干擾。目前最常用的兩類受體是:

hM3Dq:激活型受體,結合CNO后通過Gq蛋白通路促進細胞內鈣離子釋放,導致神經(jīng)元去極化(興奮);

hM4Di:抑制型受體,結合CNO后通過Gi蛋白通路激活鉀離子通道,引發(fā)神經(jīng)元超極化(抑制)。

這些受體可通過病毒載體(如AAV)或轉基因技術靶向特定腦區(qū)或細胞類型表達,例如用CaMKII啟動子限制在興奮性神經(jīng)元中表達。一旦受體表達成功,只需給予CNO即可快速(通常幾分鐘內)調控目標神經(jīng)元的活動。
 


圖2. DREADDs 作為調節(jié)體內 GPCR 信號的化學遺傳工具[2]

該技術的核心優(yōu)勢


CNO:穿透血腦屏障的“隱形操縱者”
CNO是一種小分子藥物,具備以下獨特優(yōu)勢:
高選擇性:僅激活改造后的DREADDs受體,對天然受體無作用;
血腦屏障穿透力:可通過口服、腹腔注射等方式進入中樞神經(jīng)系統(tǒng);
可逆性:停藥后效應逐漸消失(CNO通常2小時內從膜上清除)。

其作用機制因受體亞型而異:
hM3Dq激活:CNO結合后激活Gq信號通路,促進PLCβ降解PIP2,開放KCNQ鉀離子通道,引發(fā)去極化電位;

hM4Di抑制:CNO結合后激活Gi蛋白,開放GIRK鉀離子通道,導致超極化抑制動作電位。
 

CNO的給藥方法



CNO的技術局限性

CNO作用時間較長(一般2小時清除期),藥物代謝可能影響非目標組織(需優(yōu)化給藥劑量),且無法像光遺傳學那樣實現(xiàn)毫秒級精準控制,但仍適用于秒至分鐘級的時間尺度研究。

實際應用案例:從神經(jīng)環(huán)路到行為調控


案例1:氯胺酮激活新生神經(jīng)元,快速逆轉小鼠抑郁行為

基于DREADDs的小鼠模型(Ascl1-Cre; R26-LSL-hM4Di和Ascl1-Cre; R26-LSL-hM3Dq),精確地操控了成年海馬齒狀回(Dentate Gyrus, DG)中新生未成熟顆粒神經(jīng)元(Adult-born immature granule neurons, ABINs)的活動,從而闡明了它們在氯胺酮(Ketamine)快速抗抑郁作用中的關鍵性和充分性作用。


圖3. 選擇性地抑制ABINs會阻止氯胺酮恢復應激誘導的行為表型的能力[3]

 


圖4.激活ABINs足以誘導氯胺酮樣行為效應[3]


案例2:前額葉皮層調控焦慮
利用設計藥物(DREADD)特異性激活的興奮性和抑制性受體,研究了急性化學遺傳學操作對成年(Rbp4-Cre)小鼠大腦中第5層皮質投射神經(jīng)元和齒狀回神經(jīng)元亞群的影響。研究人員通過在小鼠的初級運動皮層層5(L5)中表達hM3Dq(Rbp4-Cre; R26-LSL-hM3Dq)和hM4Di(Rbp4-Cre; R26-LSL-hM4Di)受體,并通過CNO激活這些受體,發(fā)現(xiàn)hM3Dq激活顯著增加了神經(jīng)元的放電頻率,而hM4Di激活則顯著降低了神經(jīng)元的放電頻率。
 


圖5.Rbp4Cre-hM3Dq和Rbp4Cre-hM4DiDREAD在皮質層5錐體神經(jīng)元中的電生理驗證[4]


案例3:hM3Dq和hM4Di在神經(jīng)發(fā)育和再生中的作用
hM3Dq和hM4Di在神經(jīng)發(fā)育和再生中的作用也得到了研究。例如,在一項關于海馬神經(jīng)再生的研究中,研究人員通過使用Ascl1-CreER; R26-LSL−hM4Di和Ascl1-CreER; R26-LSL−hM3Dq,并注射CNO,發(fā)現(xiàn)抑制新生神經(jīng)元的興奮性而不影響神經(jīng)發(fā)生,可以消除氟西汀的抗抑郁效果。激活這些神經(jīng)元足以緩解抑郁樣行為,并逆轉不可預測的慢性輕度壓力帶來的不良影響。



圖6.抑制新生齒狀回神經(jīng)元可防止氟西汀的作用,并改變基線情感行為[5]

DREADDs技術正在突破傳統(tǒng)神經(jīng)科學研究的邊界:DREADDs與CNO的組合已在神經(jīng)環(huán)路功能解析、精神疾病建模(如精神分裂癥)及藥物篩選中展現(xiàn)巨大潛力。隨著新型配體的開發(fā)(如更高效或可逆性更強的藥物),這一技術有望進一步推動神經(jīng)科學從“觀察到操控”的跨越。對于研究者而言,DREADDs不僅是工具,更是打開大腦神秘之門的“化學密碼”。

南模生物相關品系
南模生物開發(fā)了相關工具鼠模型,可配合各Cre鼠及病毒使用。部分模型見下表:

表1.  化學遺傳操控工具鼠

同時,南模生物可提供超過600多種自主產(chǎn)權Cre/Dre工具鼠,覆蓋全身各類型的細胞組織,滿足科研人員多樣化的需求。部分神經(jīng)系統(tǒng)Cre工具鼠見下表:


表2.  部分神經(jīng)系統(tǒng)Cre工具鼠

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Reference:
[1]  Anderson AC, Joller N, Kuchroo VK. Lag-3, Tim-3, and TIGIT: Co-inhibitory RecSternson SM, Roth BL. Chemogenetic tools to interrogate brain functions. Annu Rev Neurosci. 2014;37:387-407. 

[2] Zhu H, Roth BL. DREADD: a chemogenetic GPCR signaling platform. Int J Neuropsychopharmacol. 2014 Oct 31;18(1):pyu007. doi: 10.1093/ijnp/pyu007. Erratum in: Int J Neuropsychopharmacol. 2016 Apr 27;19(10):pyw031. doi: 10.1093/ijnp/pyw031. PMID: 25522378; PMCID: PMC4368861.

[3] Rawat R, Tunc-Ozcan E, McGuire TL, et al. Ketamine activates adult-born immature granule neurons to rapidly alleviate depression-like behaviors in mice. Nat Commun. 2022 May 12;13(1):2650. doi: 10.1038/s41467-022-30386-5. PMID: 35551462; PMCID: PMC9098911.

[4] Vadisiute A, Meijer E, Therpurakal RN, et al. Glial cells undergo rapid changes following acute chemogenetic manipulation of cortical layer 5 projection neurons. Commun Biol. 2024 Oct 9;7(1):1286. doi: 10.1038/s42003-024-06994-w.

[5] Tunc-Ozcan E, Peng CY, Zhu Y, et al. Activating newborn neurons suppresses depression and anxiety-like behaviors. Nat Commun. 2019 Aug 21;10(1):3768. doi: 10.1038/s41467-019-11641-8. 

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