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。
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。
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。
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
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.
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