泰儿图新闻

16,7, 2018

毒家分析 | 球场王者变菜鸡的秘密,藏在ChR2家族的内斗史中





这是泰儿图市场部普通的一天







世界杯赛程过半,老毛子的地盘果然不好惹,欧美列强纷纷落马,可曾想象过德国、阿根廷、葡萄牙、西班牙这样的传统强队竟然同时缺席八强?


稳定发挥不能当饭吃,高控球率不再是必胜法宝,依靠超级巨星杀入决赛的美梦早已破碎,一招鲜吃遍天的惯用套路已经过时了!


这一切的秘密,都可以在光遗传学载体ChR2的发(ba)展(gua)之路中得到启示!






传统明星载体ChR2多年来稳居光遗传学研究王座,大量的文章引用,堪称网红中的战斗机。ChR2是Channelrhodopsin的一种,属于视紫质蛋白(rhodopsins),是一类光控的离子通道,能通透Na+离子,还能通透K+,Ca2+,H+等阳离子,来源于模式生物莱茵衣藻。在这些单细胞藻类中,Channelrhodopsin是形成向光性的关键分子。当移植到其他生物体上以后,可以实现用光调控细胞兴奋性,胞内pH值,钙离子内流等生物学过程。ChR2对470nm蓝光吸收最明显。


在实际使用中,突变型hChR2(H134R)是ChR2最常见形式,h指代该基因的编码序列经过适用人密码子表的优化,H134R指第134位的组氨酸突变为精氨酸,这个突变降抑制了ChR2对H+的结合,增加了Na+的通过能力,从而增加了分子整体的电导率,进而增加了光照下激发的内向电流。一般用470nm左右的蓝光激发。


在Pubmed上可以搜到692篇与ChR2相关的文章(5年内有431篇),将其称之为光遗传学研究领域内的王者,没人会有异议。






但昔日的辉煌无法确保明日的优势,载体技术的发展如此之快,近几年来涌现出多种更先进的改造型载体,在多种应用场景下都比H134R表现的更优秀,新兴力量纷纷踢馆,乱拳打死老师傅的惨剧不断上演。

第一个踢馆者是ChETA(又称E123T、ChETATR),在H134R的基础上进行了E123T位置的点突变,加快了撤光后离子通道的关闭速度,从而使得通道对光信号变化更加敏感,同时还有hChR2(H134R)的突变,以增加内向电流。相对ChR2而言,它的最大激发波长有20nm左右的红移,但一般还是可以用470nm左右的蓝光激发。实验证明ChETA可以在某些神经元中以200Hz的频率激发动作电位,它是常用的高频激发工具。在高频应用场景,ChETA足以取代H134R。[1]




ChETA的王座还没坐稳,后续的挑战者不断涌现出来。


这期间出现了一个小改款:hChR2(T159C),这是从hChR2突变文库中筛选出来的突变体,能够显著增加内向电流。在海马pyramidal神经元上测试,它的内向电流大于hChR2(H134R)。在低光照的条件下,用它诱发动作电位的可靠性要比常用的hChR2(H134R)更好。hChR2(T159C)在高频段的表现也要好于hChR2(H134R)。

随后,一次重大更新来临!ChETATC来了!

Karl Deisseroth实验室对ChETA进行了重大升级,hChR2(E123T/ T159C),或者称为ChETATC诞生了。通过引进T159C的点突变,显著改进了ChETA内向电流弱的短板,平台期内向电流接近hChR2(H134R),同时还保持了ChETA分子关闭迅速的特点,从而使该通道具有优异的性质。在E123T突变的基础上,T159C对内向电流的增加效果显著好于H134R。[2]








这场权利的游戏结束了吗?才刚开始呢。

例如hChR2(E123A),或者称为ChETAA,这种载体是Karl Deisseroth实验室的另一种ChETA升级版,E123A和E123T的单点突变时,在加快通道的关闭这点上类似。在快速发放的parvalbumin神经元中,ChETAA的表现超过了ChETATR,具有更大的平台期电流,长时间刺激下有更稳定的表现。


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此后,还有C1V1、SSFO、ChIEF、ReaChR、ChrimosonR、Chronos等等新载体不断涌现,激活型光遗传载体的江湖纷争不断,这些故事我们下期再讲,嘿嘿嘿。

流水不腐,户枢不蠹。只有不断超越自我才能立于不败之地。



展望今晚及明日凌晨的比赛,泰小V眉头一皱发现事情并不简单只能瞎猜了,找到了胜负的关键——今年的冠军将在法国和巴西之间产生,前者不断推陈出新,后者实力稳健强悍,联想到光遗传载体的新旧之争,显然法国队略胜半筹!王者之战将在7月11日凌晨提前决出,至于下半区的四支新晋势力,羽翼未丰,尚处于菜鸡互啄阶段。



参考文献

[1] Gunaydin, L. A., Yizhar, O., Berndt, A., Sohal, V. S., Deisseroth, K., & Hegemann, P. (2010). Ultrafast optogenetic control. Nature Neuroscience, 13(3), 387.

[2] Sanders, T. H., & Jaeger, D. (2016). Optogenetic stimulation of cortico-subthalamic projections is sufficient to ameliorate bradykinesia in 6-ohda lesioned mice. Neurobiology of Disease, 95, 225-237.






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