Optogenetyka

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Optogenetyka – technika stosowana w neurobiologii, polegająca na kontrolowaniu aktywności określonej grupy neuronów za pomocą światła. Wrażliwość neuronów na światło uzyskuje się przez wprowadzenie do nich sekwencji genu kodującego światłoczułe białko z rodziny opsyn, np. na nośniku wirusowym. Białko to wbudowywuje się w błonę komórkową komórki nerwowej i pod wpływem światła wywołuje jej pobudzenie lub zahamowanie[1].

Opis techniki[edytuj | edytuj kod]

Najczęściej stosowanymi białkami światłoczułymi w metodach optogenetycznych są:

ChR2 oraz VChr1 są kanałami jonowymi. Pod wpływem światła stają się przepuszczalne dla kationów, których napływ do wnętrza neuronu wywołuje depolaryzację. Halorodopsyna jest natomiast pompą jonową i pod wpływem światła przenosi do wnętrza neuronu aniony chlorkowe, co prowadzi do hiperpoplaryzacji jego błony komórkowej. Wymienione białka różnią się również długością fali światła, pod wpływem której ulegają aktywacji. ChR2 jest pobudzana najsilniej przez światło niebieskie, VChR1 przez światło zielone, a halorodopsyna przez światło żółte[2].

Schemat przedstawiający zahamowanie spontanicznej aktywności neuronu kory mózgowej z wbudowaną halorodopsyną pod wpływem oświetlenia zielonym światłem[3].

W celu wywołania ekspresji światłoczułego białka w wybranych neuronach stosuje się różne metody. Najczęściej stosowaną i najszybszą jest wprowadzenie sekwencji genu kodującego białko na wektorze wirusowym (np. lentiwirusowym) poprzez wstrzyknięcie w docelowy region mózgu. W wektorze umieszcza się również specyficzną komórkowo sekwencję promotorową, tak aby ograniczyć ekspresję białka tylko do określonego typu komórek (np. tylko pobudzających neuronów glutaminergicznych). Inną, bardziej czasochłonną metodą jest uzyskanie linii myszy transgenicznych, syntetyzujących światłoczułe białko w określonych neuronach przez całe życie[4].

W przypadku większości zwierząt oświetlenie obszarów położonych głęboko w mózgu wymaga wprowadzenia do niego światłowodu.

Historia[edytuj | edytuj kod]

Możliwość wykorzystania światła do wybiórczego kontrolowania aktywności neuronów po raz pierwszy zasugerował Francis Crick w 1999[5]. W 2002 roku po raz pierwszy opisano uzyskanie światłoczułych neuronów metodami inżynierii genetycznej. Wykorzystano rodopsynę pozyskaną z Drosophila melanogaster, którą wprowadzono do hodowli ssaczych neuronów[6]. W późniejszych latach opisano jeszcze kilka podobnych układów doświadczalnych, jednak żaden nie znalazł szerszego zastosowania, ze względu na wysoki stopień skomplikowania. W 2005 zespół Karla Desiserotha z Uniwersytetu Stanforda opublikował wyniki swoich doświadczeń, w których zastosowano znacznie prostszy układ, z użyciem rodopsyny ChR2[7]. W tym samym roku zespół Georga Nagela opublikował wyniki doświadczeń, w których zastosowano metody optogenetyczne do kontroli aktywności motorycznej nicienia Caenorhabditis elegans[8]. Nicień ten jest częstym obiektem badań, w których używa się technik optogenetycznych, głównie ze względu na mało skomplikowaną i dobrze poznaną budowę układu nerwowego, ale jednocześnie przejawianie bardzo wyraźnych zachowań, którymi można sterować. Ma też przezroczyste powłoki ciała, więc nie wymaga wprowadzania źródeł światła do wnętrza.

Techniki optogenetyczne znalazły duże zastosowanie w badaniach nad funkcjonowaniem połączeń neuronów w ciele migdałowatym i ich roli w powstawaniu strachu u gryzoni[9]. Badane w ten sposób są również inne struktury układu limbicznego, m.in. jądro półleżące. Dzięki optogenetyce lepiej poznano też funkcjonowanie połączeń neuronów w obrębie jąder podstawy, których zaburzenia są związane z chorobą Parkinsona[10][11].

W 2010 roku optogenetyka została wybrana Metodą Roku 2010 przez prestiżowe czasopismo naukowe Nature Methods[12].

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytać SC. Williams, K. Deisseroth. Optogenetics. „Proc Natl Acad Sci U S A”. 110 (41), s. 16287, 2013. DOI: 10.1073/pnas.1317033110. PMID: 24106299. PMCID: PMC3799345. 
  2. publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytać ML. Rein, JM. Deussing. The optogenetic (r)evolution. „Mol Genet Genomics”. 287 (2), s. 95-109, 2012. DOI: 10.1007/s00438-011-0663-7. PMID: 22183142. PMCID: PMC3266495. 
  3. publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytać S. Nakamura, MV. Baratta, MB. Pomrenze, SD. Dolzani i inni. High fidelity optogenetic control of individual prefrontal cortical pyramidal neurons in vivo. „F1000Res”. 1, s. 7, 2012. DOI: 10.12688/f1000research.1-7.v1. PMID: pmc = 3894804 24555016 pmc = 3894804. 
  4. publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytać F. Zhang, V. Gradinaru, AR. Adamantidis, R. Durand i inni. Optogenetic interrogation of neural circuits: technology for probing mammalian brain structures. „Nat Protoc”. 5 (3), s. 439-456, 2010. DOI: 10.1038/nprot.2009.226. PMID: 20203662. PMCID: PMC4503465. 
  5. publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytać F. Crick. The impact of molecular biology on neuroscience. „Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci”. 354 (1392), s. 2021-2025, 1999. DOI: 10.1098/rstb.1999.0541. PMID: 10670022. PMCID: PMC1692710. 
  6. BV. Zemelman, GA. Lee, M. Ng, G. Miesenböck. Selective photostimulation of genetically chARGed neurons. „Neuron”. 33 (1), s. 15-22, 2002. PMID: 11779476. 
  7. ES. Boyden, F. Zhang, E. Bamberg, G. Nagel i inni. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. „Nat Neurosci”. 8 (9), s. 1263-1268, 2005. DOI: 10.1038/nn1525. PMID: 16116447. 
  8. publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytać G. Nagel, M. Brauner, JF. Liewald, N. Adeishvili i inni. Light activation of channelrhodopsin-2 in excitable cells of Caenorhabditis elegans triggers rapid behavioral responses. „Curr Biol”. 15 (24), s. 2279-2284, 2005. DOI: 10.1016/j.cub.2005.11.032. PMID: 16360690. 
  9. publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytać JP. Johansen, SB. Wolff, A. Lüthi, JE. LeDoux. Controlling the elements: an optogenetic approach to understanding the neural circuits of fear. „Biol Psychiatry”. 71 (12), s. 1053-1060, 2012. DOI: 10.1016/j.biopsych.2011.10.023. PMID: 22169096. PMCID: PMC3319499. 
  10. publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytać AV. Kravitz, BS. Freeze, PR. Parker, K. Kay i inni. Regulation of parkinsonian motor behaviours by optogenetic control of basal ganglia circuitry. „Nature”. 466 (7306), s. 622-626, 2010. DOI: 10.1038/nature09159. PMID: 20613723. PMCID: PMC3552484. 
  11. V. Gradinaru, M. Mogri, KR. Thompson, JM. Henderson i inni. Optical deconstruction of parkinsonian neural circuitry. „Science”. 324 (5925), s. 354-359, 2009. DOI: 10.1126/science.1167093. PMID: 19299587. 
  12. Method of the Year 2010

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]

Filmy: