基因與基因體學 生物工程學 神經科學

光感應陰離子通道,創造更靈活的光遺傳學應用

光遺傳學(Optogenetics)是指利用光敏蛋白調控活體組織中,特定類型細胞反應的技術,目前被大量使用在神經生物學相關的研究。在傳統神經生物學研究中,局部電刺激雖然能夠控制刺激時間的長短,卻無法專一地針對受激區域中特定類型細胞給予刺激;另一方面,藥物作用雖然能夠較專一地刺激(或抑制)特定類型細胞,但如何操弄藥物作用時間的長短卻是個令人頭痛的問題。而利用光遺傳學,將微生物中具光敏活性的離子幫浦或離子通道基因轉殖到動物特定神經元上,在一定時間內施予特定範圍波長的光源刺激,將能夠同時達成神經細胞活性調控的空間與時間上的精確性。

Chromorhodopsin(ChR)是一種來自藻類的光敏陽離子通道,對 Na+、K+、H+、Ca2+等離子均具有通透性,逆轉電位(reversal potential)約為 0 mV,因此能夠在光線刺激下使特定神經元發生去極化進而產生動作電位,是目前最常用的光遺傳學工具之一。在神經元的抑制方面,利用Bacteriorhodopsin(BR,氫離子泵)和 Halorhodopsin(HR,氯離子泵),將能使神經元以耗能的方式被過極化。然而,BR 和 HR 的抑制效果卻讓神經生物學家無法滿意。首先,一個光子只足以運輸一個離子,且電流阻力並不會因為光照而下降,這使得利用離子泵誘發過極化顯得效率低落,而且離子泵的運輸方向並不取決於濃度梯度也讓人擔心是否會產生非生理性的濃度梯度,此外,相較於 ChR,如何以基因工程改變離子泵的動力學、激發光譜等諸多特性都仍不清楚,因而也就大大降低了以離子泵進行神經元抑制研究的可變化性和豐富性。

由於目前對 ChR 的晶體結構和電生理特性已有相當完整的認識,來自史丹佛大學的 Karl Deisseroth 的研究團隊將 C1C2 (註)的離子通道和通道開口的 glutamate 等胺基酸進行一系列的突變篩選,挑出 9 個逆轉電位不再是 0 mV 的點突變加以組合成 iC1C2,發現在生理狀態下 iC1C2 的逆轉電位下降至 -61 mV。藉由改變膜內外 [Na+]、[K+]、[Cl-] 和 pH 等等,發現原來 iC1C2 已不再是個陽離子通道而是搖身一變成為氯離子通道。在動作電位(action potential,-55mV)刺激下, iC1C2 將很快產生向外的電流(亦即氯離子流入胞內)使得神經細胞發生再極化/過極化。

在對光的反應的部分,iC1C2 在藍光照射下能有效降低通道的電阻,且如果將 iC1C2 上第 167 個胺基酸的 Cysteine 改成 Threonine 則會發現從藍光照射到通道關閉的平均時間將會從 24 ms 延長至 7.3 s,大大延長抑制神經元的時間;且倘改以紅光照射則抑制的時間又將縮短為 375 ms。這些實驗結果一再地說明了 iC1C2 這個抑制性的 ChR 豐富的可塑性,也不禁讓人期待起它運用在往後神經生物學的研究上將創造怎樣的一番榮景。

(註)C1C2 是 C1 和 C2 兩種 ChR 的嵌合體。

圖片來源:Hayashi, S. (2014). Silencing Neurons with Light. Science, 344(6182), 369-370. doi:10.1126/science.1253616

資料來源:

Berndt, A., Lee, S. Y., Ramakrishnan, C., & Deisseroth, K. (2014). Structure-Guided Transformation of Channelrhodopsin into a Light-Activated Chloride Channel. Science344(6182), 420-424. doi:10.1126/science.1252367

About the author

Avatar

Investigator團隊

2013年,憑著一股對學術研究的熱忱,一群海內外學生與社會新鮮人成立了「The Investigator Taiwan 臺灣生物科學研發策進社群」。幾年來社群持續成長,到現在成員超過百名,背景橫跨基礎研究、臨床、產業各領域。我們透過經營平台、生醫報導與活動交流、協助媒合學習對象等多元面向,為臺灣的生醫領域創造了許多正面價值。