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Cell:通過(guò)讓視紫紅質(zhì)翻轉(zhuǎn)擴(kuò)大光遺傳學(xué)工具包
  • 發(fā)布日期:2018-10-24      瀏覽次數(shù):1418
    • 科學(xué)家們已證實(shí)使用光敏感蛋白控制單個(gè)腦細(xì)胞是一種檢測(cè)大腦復(fù)雜性的強(qiáng)有力工具。隨著神經(jīng)科學(xué)的這個(gè)分支不斷擴(kuò)大,對(duì)各種蛋白工具的需求也在增加。

      在一項(xiàng)新的研究中,來(lái)自美國(guó)霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所等研究機(jī)構(gòu)的研究人員發(fā)現(xiàn)一種對(duì)一類(lèi)稱(chēng)為視紫紅質(zhì)(rhodopsin)的蛋白進(jìn)行改造的新方法。通過(guò)在細(xì)胞膜中翻轉(zhuǎn)這類(lèi)蛋白,他們能夠產(chǎn)生具有不同特性的工具。相關(guān)研究結(jié)果于2018年10月18日在線(xiàn)發(fā)表在Cell期刊上,論文標(biāo)題為“Expanding the Optogenetics Toolkit by Topological Inversion of Rhodopsins”。論文通信作者為霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的Joshua Dudman和Alla Karpova。
       

      圖片來(lái)自Cell,doi:10.1016/j.cell.2018.09.026。

       

      這種技術(shù)能夠讓用于光遺傳學(xué)(optogenetics)技術(shù)---一種用光來(lái)操縱神經(jīng)元活動(dòng)的技術(shù)---中的蛋白數(shù)量增加一倍。這些新開(kāi)發(fā)的雜合視紫紅質(zhì)蛋白讓這些研究人員能夠開(kāi)展新的實(shí)驗(yàn),有助于分析大腦回路并研究治療帕金森病背后的神經(jīng)科學(xué)。

      迄今為止,科學(xué)家們已有兩種主要的方法來(lái)尋找用于光遺傳學(xué)技術(shù)中的新型蛋白。一種方法是通過(guò)基因組挖掘(genome mining)在自然界中發(fā)現(xiàn)它們。另一種方法是讓蛋白逐漸地發(fā)生突變直到它們具有所需的特征。每種方法都具有各自的優(yōu)點(diǎn),不過(guò)也有其不足之處:不能夠提供讓神經(jīng)科學(xué)家開(kāi)展日益的實(shí)驗(yàn)所需的全部特征。

      受到進(jìn)化的啟發(fā),在Jennifer Brown、Reza Behnam、Luke Coddington和Gowan Tervo的領(lǐng)導(dǎo)下,這些研究人員開(kāi)發(fā)出一種對(duì)新的視紫紅質(zhì)進(jìn)行改造的補(bǔ)充技術(shù)。除了突變之外,重組---通過(guò)基因改組(gene reshuffling)讓具有不同功能的蛋白結(jié)構(gòu)域組合在一起---的存在也使得蛋白多樣性在自然界中出現(xiàn)。科學(xué)家們認(rèn)為重組對(duì)于一小部分蛋白---通過(guò)進(jìn)化,它們?cè)诩?xì)胞膜中的定向發(fā)生變化---的出現(xiàn)是至關(guān)重要的。

      即便發(fā)生翻轉(zhuǎn)的蛋白存在于自然界中,傳統(tǒng)觀點(diǎn)仍然認(rèn)為通過(guò)改造構(gòu)建出發(fā)生翻轉(zhuǎn)的蛋白幾乎是不可能的。蛋白的形狀決定著它們?cè)诩?xì)胞膜上的定向,而且當(dāng)人們?cè)噲D在實(shí)驗(yàn)室中改變它們時(shí),它們通常不能形成功能性的蛋白。

      然而,當(dāng)這些研究人員通過(guò)在一種視紫紅質(zhì)的一端添加一種新的蛋白來(lái)模擬重組時(shí),它發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。這真地是出于意料之外的。如果每一個(gè)現(xiàn)有的經(jīng)過(guò)改造的或新發(fā)現(xiàn)的視紫紅質(zhì)在翻轉(zhuǎn)時(shí)都能獲得新功能,那么這可能導(dǎo)致用于光遺傳學(xué)技術(shù)中的蛋白工具翻倍。

      這些研究人員不僅能夠改變蛋白在細(xì)胞膜中的定向,而且還能夠發(fā)現(xiàn)這些新的經(jīng)過(guò)改造的視紫紅質(zhì)具有*而有用的新功能。其中的一種的稱(chēng)為FLInChR(Full Length Inversion of ChR,ChR的全長(zhǎng)翻轉(zhuǎn))的視紫紅質(zhì)剛開(kāi)始時(shí)起著激活神經(jīng)元的作用。當(dāng)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí),它變成一種強(qiáng)效且快速的抑制劑,可用于開(kāi)展新的實(shí)驗(yàn)。

      Dudman說(shuō),“我們總是希望創(chuàng)造出新的工具,這樣我們就能夠做任何我們夢(mèng)寐以求的實(shí)驗(yàn)。能夠讓工具包多樣化是繼續(xù)推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)向前發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。”(生物谷)

      參考資料:

      Jennifer Brown, Reza Behnam, Luke Coddington et al. Expanding the Optogenetics Toolkit by Topological Inversion of Rhodopsins. Cell, Published Online: 18 October 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.09.026.

    魏經(jīng)理
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