什么是光遺傳學，對光遺傳學技術(shù)的探討

什么是光遺傳學？光遺傳學（optogenetic）技術(shù)是指將光學技術(shù)與遺傳學技術(shù)相結(jié)合，在動物體內(nèi)針對神經(jīng)系統(tǒng)開展研究的技術(shù)，比如說可以結(jié)合遺傳工程與光來操作個別神經(jīng)細胞的活性，發(fā)現(xiàn)腦部如何產(chǎn)生γ波（gamma oscillations），并為它們在調(diào)控腦部功能中的角色提供新證據(jù)，這將有助于發(fā)展一系列腦相關(guān)失調(diào)的新療法。

近期《Nature Methods》總結(jié)了光遺傳學技術(shù)的一些新工具，希望能夠通過這些新方法研究神經(jīng)元細胞相互之間是如何形成功能的，以及通過控制著神經(jīng)元細胞內(nèi)部或者之間電信號的開關(guān)，達到神經(jīng)修復的作用。

光遺傳學是由斯坦福大學的研究人員開始用于研究小鼠大腦的，他們將這項技術(shù)稱之為Optogenetics(optical stimulation plus genetic engineering 光刺激基因工程/光遺傳學)，這個技術(shù)的關(guān)鍵是：科學家們必須事前向小白鼠體內(nèi)注射一種植物基因，這種基因能夠?qū)Σ煌伾獾拇碳ぷ鞒雒舾械姆磻?yīng)，還能通過自生特性感染類似的細胞。

2009年，研究人員就利用這種光控技術(shù)選擇并打開了某種生物的一類細胞。這也幫助科學家解答一個長期存在的難題，即關(guān)于脊髓中某類神經(jīng)元的特殊功能的研究。他們在清醒的斑馬魚幼蟲的這些細胞中靶向插入光敏開關(guān)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些細胞產(chǎn)生了突發(fā)的游泳行為—幼蟲典型的周期性擺尾。

使用這些光遺傳學（optogenetic）工具，能夠激活清醒哺乳動物的單一神經(jīng)元，并直接演示神經(jīng)元激活表現(xiàn)出的行為結(jié)果。該光遺傳學方法使得研究人員能夠獲得關(guān)于脊髓回路的一些重要信息。 

研究人員介紹說，該研究使用的新技術(shù)可以推廣到所有類型的神經(jīng)細胞，比如大腦的嗅覺，視覺，觸覺，聽覺細胞等。光遺傳學開辟了一個新的讓人激動的研究領(lǐng)域，可以挑選出一種類型的細胞然后發(fā)現(xiàn)其功能。

在光遺傳學試驗中，研究人員能夠在感興趣的能調(diào)控電信號的靶細胞上表達來自視蛋白的光學門控離子通道（light-gated ion channels），比如視紫紅質(zhì)通道蛋白2（channelrhodopsin-2，ChR2）和嗜鹽菌紫質(zhì)（halorhodopsin）一類的視蛋白都已經(jīng)成為了神經(jīng)生物學實驗室中的常用蛋白?？茖W家可以分別利用藍光和紅光來激活（去極化）或抑制（超極化）一系列的經(jīng)過遺傳改造的神經(jīng)元細胞。但是和其它任何一種生物研究工具一樣，這些視蛋白也不是十全十美，因此科學家又開始尋找新一代的光遺傳學工具。

來自在麻省理工學院的研究人員在07年就**次用嗜鹽菌紫質(zhì)關(guān)閉了神經(jīng)元細胞。不過，他們并不滿足于嗜鹽菌紫質(zhì)現(xiàn)有的電流大小和恢復時間，于是又開始到其它的生態(tài)系統(tǒng)中尋找新視蛋白。現(xiàn)在，這一小組已經(jīng)報道了幾個新的視蛋白分子，比如Chow等人在2010年發(fā)表的論文中報道的可以作為神經(jīng)細胞開關(guān)的光門控質(zhì)子泵等。

他們對古**、**、植物和**的視蛋白新性質(zhì)進行了篩選，發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)控制的一個全新機制：光驅(qū)動質(zhì)子泵輸。雖然質(zhì)子原本并不是被神經(jīng)系統(tǒng)用作載荷子，但來自Halorubrum sodomense的archaerhodopsin-3的光驅(qū)動質(zhì)子泵輸，能響應(yīng)于光照來調(diào)控強大的神經(jīng)沉默作用。來自**Leptosphaeria maculans的一個質(zhì)子泵能夠在藍光照射下啟動神經(jīng)沉默。這些試劑的使用將有助于用光來關(guān)閉神經(jīng)回路，作為研究神經(jīng)回路在行為和病理中所起作用的一種工具。

研究人員注意到了這兩種新的質(zhì)子泵：來自蘇打鹽紅菌（Halorubrum sodomense，一種古**）的Arch蛋白和來自油菜黑脛病**（Leptosphaeria maculans）的Mac蛋白。這兩種分子相比傳統(tǒng)的視蛋白具有三點明顯的優(yōu)勢，一是能形成更大的電流；二是能自我恢復；三是具有不同的顏色偏好性（Arch蛋白對黃色光敏感，Mac蛋白對藍色光敏感）。這樣就能利用不同顏色的光線來針對性地抑制相鄰的神經(jīng)元細胞了。Boyden等人也的確利用嗜鹽菌紫質(zhì)和Mac蛋白做到了這一點。更重要的是，在神經(jīng)元細胞中表達這些視蛋白并不會影響胞內(nèi)的pH值，因為神經(jīng)元細胞具有自我限制機制，能夠防止細胞因為質(zhì)子進出細胞流動幅度過大而出現(xiàn)電壓不穩(wěn)的情況出現(xiàn)。

新發(fā)現(xiàn)蛋白中的Mac蛋白在藍光中能關(guān)閉神經(jīng)元，在黃光中則不能。在一種細胞中表達Mac蛋白而在另一細胞中表達對黃光敏感的抑制蛋白，這樣就能分別關(guān)閉同源的兩組神經(jīng)元，如已移至腦部其他區(qū)域的前額葉皮層神經(jīng)元。

目前這群科學家正與Eos公司合作，該公司旨在用光遺傳學**失明。另一家新公司希望能用這種技術(shù)**脊髓損傷。這些努力能否獲得成功，還取決于將基因和光**有效地輸入神經(jīng)元的技能如何，這并非一日之功。

另外來自德國柏林洪堡大學的研究人員構(gòu)建了一個新型的ChR2蛋白——ChETA，這種蛋白*引人注目的特點之一就是它能以40 Hz的頻率（又名γ振蕩）刺激神經(jīng)元細胞，這是ChR2蛋白做不到的。研究人員發(fā)現(xiàn)，高頻振蕩對于大腦功能來說可能更為重要，ChETA蛋白來的正是時候。他們在快速放電大腦皮質(zhì)小白蛋白中間神經(jīng)元細胞（fast-spiking cortical parvalbumin interneurons）上表達ChETA蛋白，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ChETA蛋白能夠增強細胞對廣泛頻率范圍2毫秒光波刺激信號的反應(yīng)性。

這種新工具可能會促進神經(jīng)****領(lǐng)域的發(fā)展，如果將這個概念延展到酶學領(lǐng)域，那么是否能夠通過光線控制基因表達呢？如果真是這樣，那么就能將光遺傳學技術(shù)拓展到細胞生物學或者細胞發(fā)育等研究領(lǐng)域了。

使用這些光遺傳學工具，能夠激活清醒哺乳動物的單一神經(jīng)元，并直接演示神經(jīng)元激活表現(xiàn)出的行為結(jié)果。光遺傳學方法使得研究人員能夠獲得關(guān)于脊髓回路的一些重要信息。光遺傳學研究使用的新技術(shù)可以推廣到所有類型的神經(jīng)細胞，比如大腦的嗅覺，視覺，觸覺，聽覺細胞等。光遺傳學開辟了一個新的讓人激動的研究領(lǐng)域，可以挑選出一種類型的細胞然后發(fā)現(xiàn)其功能。在未來幾年里光遺傳學工具的發(fā)展還將繼續(xù)下去，而這些工具也必將被應(yīng)用到更為廣闊的領(lǐng)域，比如心臟細胞研究領(lǐng)域等。

上文提到的麻省理工的研究人員已經(jīng)先行一步，他們與Eos公司合作，希望能用光遺傳學**失明，他們認為盡管光控技術(shù)還沒有像用于蠅、鼠、猴那樣應(yīng)用于人腦，但光遺傳學必將帶給醫(yī)學突破性進展。如果光遺傳學能檢定出神經(jīng)類和精神類**的紊亂腦回路，就可用**或更可靠技術(shù)如深部腦刺激術(shù)，來**這些細胞。