光遗传学概述课件.ppt

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1、L/O/G/O光遗传学光遗传学.目录目录光遗传学的定义和基本原理光遗传学的定义和基本原理 光遗传学的研究内容光遗传学的研究内容光遗传学的发展光遗传学的发展光遗传学的应用前景光遗传学的应用前景 4123.光遗传学的定义和基本原理光遗传学的定义和基本原理通过基因工程技术使受体细胞产生视蛋白，通过基因工程技术使受体细胞产生视蛋白，来实现对细胞的光学控制，即通过光来激活来实现对细胞的光学控制，即通过光来激活或抑制某种细胞从而明确其功能。或抑制某种细胞从而明确其功能。光遗传光遗传学学.光遗传学上控制细胞功能的步骤光遗传学上控制细胞功能的步骤可以是天然蛋可以是天然蛋白白(如视紫红如视紫红质蛋白质蛋白)，也

2、，也可以是经化学可以是经化学修饰后的对光修饰后的对光敏感的人工改敏感的人工改造蛋白造蛋白通过转染、病通过转染、病毒转导或构建毒转导或构建转基因动物等转基因动物等方式将编码这方式将编码这些视蛋白的基些视蛋白的基因输送进目的因输送进目的细胞细胞时间上的调控是时间上的调控是利用持续光源搭利用持续光源搭配高速快门、快配高速快门、快速转换的速转换的LED或或单光子激光扫描单光子激光扫描显微镜等进行宽显微镜等进行宽视野照射来达到视野照射来达到目的目的空间上的调控是空间上的调控是通过选择性的照通过选择性的照射细胞局部的方射细胞局部的方法实现的法实现的电极是一种常电极是一种常用的膜电位监用的膜电位监测工具测工

3、具也可利用各种也可利用各种依赖荧光生物依赖荧光生物感受器来检测感受器来检测输出信号输出信号对于生物体也对于生物体也可检测行为改可检测行为改变变寻找合适的视蛋白寻找合适的视蛋白往受体细胞内输送视蛋白基往受体细胞内输送视蛋白基因因对光信号进行时空调对光信号进行时空调控控收集输出信号，读取收集输出信号，读取结果结果光遗传学的定义和基本原理光遗传学的定义和基本原理.光遗传学的定义和基本原理光遗传学的定义和基本原理视蛋白：实现光开视蛋白：实现光开关的关键部分，它关的关键部分，它充当着离子通道或充当着离子通道或离子泵的角色离子泵的角色盐视紫红质盐视紫红质(NpHR)离子泵，氯离子内离子泵，氯离子内流，引起

4、超极化流，引起超极化通道视紫红质通道视紫红质(ChR)阳离子内流引起去阳离子内流引起去极化极化型视蛋型视蛋(optoXR)必须偶联到一种转导蛋白上必须偶联到一种转导蛋白上才能实现对光反应。才能实现对光反应。一般用一般用来调控信号通路。来调控信号通路。哺乳动物哺乳动物视网膜上的视紫红质就是此视网膜上的视紫红质就是此类蛋白。类蛋白。细菌视紫红质细菌视紫红质(BR)质子泵，质子外流，质子泵，质子外流，引起超极化引起超极化.光遗传学的定义和基本原理光遗传学的定义和基本原理 Image information in product Image:Note to customers:This image h

5、as been licensed to be used within this PowerPoint template only.You may not extract the image for any other use.l光遗传学是一种将遗传学和光控技术结合的新的学科门类。.光遗传学的定义和基本原理光遗传学的定义和基本原理细胞信号通路的调控 其一般性原理是制作嵌合体(chimera)，一方面是脊椎动物的视紫红质，另一方面是通常的、配基耦合的G蛋白偶联受体(GPCR)。这样组合以后GPCR就相当于单成分的神经调控工具。这种II型融合蛋白称为optoXR，可用以对细胞内信号传导过程进行光学调

6、控，其时间分辨率足以允许应用于自由运动小鼠行为状态下的神经元活动。运用这种方法可以实现多巴胺受体的、5一羟色胺受体的、肾上腺素受体的作用，从而在神经传递的调制中发挥重要作用.光遗传学的研究内容光遗传学的研究内容作为光遗传学的重要工具，寻作为光遗传学的重要工具，寻找符合要求且效率高的视蛋白找符合要求且效率高的视蛋白十分重要。十分重要。光遗传学的方法不仅可以用光遗传学的方法不仅可以用来研究神经细胞，也能用来来研究神经细胞，也能用来研究其他细胞的功能。研究其他细胞的功能。研究神经细胞的功能是控制研究神经细胞的功能是控制大脑的必经之路，另外了解大脑的必经之路，另外了解并控制其功能有望治愈多种并控制其功

7、能有望治愈多种神经方面的疾病。神经方面的疾病。研究和改造研究和改造各种视蛋白各种视蛋白 研究心脏细胞研究心脏细胞干细胞等功能干细胞等功能 研究神经研究神经回路和功能回路和功能.光遗传学技术研究范围扩大光遗传学技术研究范围扩大光操控用于哺乳动物光操控用于哺乳动物Karl Deisseroth光遗传学的发展光遗传学的发展微生物视蛋白用于光操控微生物视蛋白用于光操控Karl Deisseroth 发现细菌视紫红蛋白发现细菌视紫红蛋白Walther Stoeckenius1971200520072010光遗传学发展的时间轴.光遗传学的发展光遗传学的发展.光遗传学的发展光遗传学的发展.光遗传学的应用前景

8、光遗传学的应用前景光遗传学的应用范围光遗传学的应用范围 利用光遗传学技术解释某些生物现象利用光遗传学技术解释某些生物现象 利用光遗传学技术对哺乳动物行为进行调利用光遗传学技术对哺乳动物行为进行调控控靶向研究不同种类细胞的生命活动和靶向研究不同种类细胞的生命活动和功能功能改善或治愈某些因神经系统功能障改善或治愈某些因神经系统功能障碍所引起的疾病碍所引起的疾病 神经生物学神经生物学神经生物学神经生物学分子生物学分子生物学分子生物学分子生物学医学医学医学医学.光遗传学的应用前景光遗传学的应用前景解释某些生物现象解释某些生物现象 在转基因小鼠中双重组ChR2 和eNpHR 后的一系列细胞神经元（例如下

9、丘脑分泌素细胞、蓝斑核去甲肾上腺素激活神经元、VTA 腹侧被盖区多巴胺神经元、棘神经元以及类胆碱能中间神经元）可以利用光波对这些神经元的活性进行精确控制；该技术的可控性已经应用到小鼠的睡眠与觉醒、多巴胺上瘾机制、奖赏机制以及可卡因依赖症等诸多方面，并取得了突破性进展。2005 年Nagel 等发现被ChR2 重组的线虫，其肌肉壁运动神经元和动力感觉神经元的活性是可控的在斑马鱼躯体感觉神经元中的重复实验也表明，光激活下该神经元的反应驱动斑马鱼产生的游泳行为与通常的逃避行为很类似。调控哺乳动物的行调控哺乳动物的行为为.光遗传学的应用前景光遗传学的应用前景 2009年初，科研人员借助哺乳动物大脑组织

10、里的维甲酸类物质并利用维甲酸的信号分子在黑暗环境火星低的特点，对活体哺乳动物体内的G蛋白偶联受体信号通路进行了光控操作。这次试验中使用的是脊椎动物视紫红质蛋白G蛋白偶联受体嵌合体蛋白，这种嵌合体蛋白可以恢复受异源G蛋白三聚体信号通路Gs和Gq调控的细胞信号通路。随后，又有好几个实验室用几种不同的新实验方法成功对体外培养细胞内的小GTP酶进行了光控试验，从而成功地用光控的方法改变了细胞的形状和运动活力。分子生物学.光遗传学的应用前景光遗传学的应用前景可以极大地缓解由慢性压力引起的可以极大地缓解由慢性压力引起的抑郁样症状抑郁样症状选择性激活选择性激活VTA多巴胺神经元多巴胺神经元用相应视蛋白代替视网用相应视蛋白代替视网膜细胞膜细胞视网膜出了问题视网膜出了问题用遗传光学的方法用遗传光学的方法提高细胞活性提高细胞活性病因是脑细胞退病因是脑细胞退化化植入运动神经植入运动神经元的拟胚元的拟胚神经损伤神经损伤肢体功能障碍肢体功能障碍老年痴呆症老年痴呆症部分眼疾部分眼疾抑郁症抑郁症 疾病疾病用遗传光学的方法治疗疾病用遗传光学的方法治疗疾病.L/O/G/OThank You!.