Science发布光遗传学重要新技术

网络化的神经细胞是生物体的控制中心。在线虫中，300个神经细胞就足以引发复杂的行为。为了更好地了解这些网络的特性，研究人员利用光来开启和关闭细胞，观察生物体随之发生的行为。在发表于Science杂志上的一篇新论文中，科学家们报告称有一种蛋白质可使光控神经细胞变得更为容易。它有可能为神经系统疾病研究奠定基础。

　　

生物通报道  网络化的神经细胞是生物体的控制中心。在线虫中，300个神经细胞就足以引发复杂的行为。为了更好地了解这些网络的特性，研究人员利用光来开启和关闭细胞，观察生物体随之发生的行为。在发表于《科学》（Science）杂志上的一篇新论文中，科学家们报告称有一种蛋白质可使光控神经细胞变得更为容易。它有可能为神经系统疾病研究奠定基础。

要用光来改变神经细胞，须借助于在细胞膜中形成离子通道的某些蛋白。这些蛋白被称作视紫红质通道蛋白（channelrhodopsin）。如果光线触及这些离子通道，它们会打开，离子进入，致使细胞特异性地激活或失活。通过这种方式，研究人员获得了一种极好的工具来研究神经细胞网络的功能。然而到目前为止，这种技术仍要求大量的光线，且只能改变网络中非常有限的区域。新研究中提及的ChlocC视紫红质通道蛋白相比于迄今为止用于关闭神经细胞的其他蛋白质，响应光线的敏感度要增高大约10,000倍。

卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的Marcus Elstner说：“为了改变这一蛋白质，我们在电脑上分析了它的结构。这位理论化学家和他的研究团队构建出了由大约5000个原子组成的这一蛋白质的模型。为此，他们利用了卡尔斯鲁厄理工学院Steinbuch计算中心的高性能计算机。花费数周时间，连同蛋白质环境，如细胞膜和细胞质，对大约10万个原子进行了计算。结果发现这一通道的离子导电性实质上是建立在中心区域的3个氨基酸基础之上。通过交换氨基酸，科学家们现在成功地提高了这一离子通道的敏感性。

自2005年以来，科学家们一直利用来自微藻的视紫红质通道蛋白。在神经切片或活体转基因模式生物，如果蝇、斑马鱼或小鼠中，借助这些蛋白人们可以利用光线来特异性激活选择细胞。因此，进一步了解了它们在细胞结构中所起的作用。这种称作为光遗传学（optogenetics）的技术被广泛应用。在过去的数年里，它促使更深入地了解了信号处理相关的生物学。到目前为止绘制出了一些难以触及的神经信号通路，发现了蛋白质、细胞、组织以及神经系统功能之间许多的关联（延伸阅读：华人科学家Nature操控基因表达的新技术）。

在这项新研究中，来自卡尔斯鲁厄理工学院、柏林洪堡大学和汉堡Thomas Oertner分子神经生物学中心的研究人员进一步开发了这一离子通道。Jonas Wietek、Nona Adeishvili与柏林洪堡大学的Peter Hegemann研究组展开合作，成功鉴别出了视紫红质通道蛋白的选择性过滤器，对它进行改造导入负电荷氯离子。科学家们将这些氯离子传导通道命名为ChlocC。

来自卡尔斯鲁厄理工学院Marcus Elstner研究小组的Hiroshi Watanabe计算了蛋白质中离子的分布并通过显像证实了氯离子分布增高。来自Thomas Oertner分子神经生物学中心Thomas Oertner研究小组的Simon Wiegert证实，将ChlocC导入选择性的神经元中，以非常小的光强度即可导致后者失活，在活体生物中亦是如此。现在这种新型的光遗传学工具ChloC，可与主要传导钠离子和质子的已知光激活阳离子通道一起，用于神经科学中研究神经网络的转换。

这一基础知识或许可帮助更好地了解如癫痫和帕金森病一类疾病的机制。从现在起的未来数年里，这有可能促成一些比当前的治疗药物更具特异性的治疗概念。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Conversion of Channelrhodopsin into a Light-Gated Chloride Channel

The field of optogenetics utilizes channelrhodopsins (ChRs) for light-induced neuronal activation. Optimized tools for cellular inhibition at moderate light levels are however lacking. We found that replacement of E90 in the central gate of ChR with positively charged residues produces chloride-conducting ChRs (ChloCs) with only negligible cation conductance. Molecular dynamics modeling unveiled that a high-affinity Cl--binding site had been generated near the gate. Stabilizing the open state dramatically increased the operational light sensitivity of expressing cells (slow ChloC). In CA1 pyramidal cells, ChloCs completely inhibited action potentials triggered by depolarizing current injections or synaptic stimulation. Thus, by inverting the charge of the selectivity filter, we have created a class of directly light-gated anion channels that can be used to block neuronal output in a fully reversible fashion.