Как работает оптогенетика?

Краткий ответ

Оптогенетика может быть использована для того, чтобы сделать клетки чувствительными к свету. Одним из поразительных применений этой технологии является восстановление зрения у слепых путем повышения светочувствительности выживших нейронов сетчатки. Это может быть сделано путем трансфекции сетчатки генетически модифицированными вирусами, которые индуцируют экспрессию белков бактериального каналородопсина в нейронах сетчатки.

Фон

Я объясню оптогенетику, сосредоточившись на одном из самых поразительных приложений: сделать слепых зрячими. У людей свет воспринимается фоторецепторами сетчатки ( см. дальнейшее чтение № 2 ). Палочки обеспечивают зрение в оттенках серого (т. е. ночное зрение), а колбочки обеспечивают цветное зрение при достаточном освещении. Палочки и колбочки содержат светочувствительные белки: фотопигменты . Пигмент палочковидных фоторецепторов называется родопсином., в колбочках они называются пигментами колбочек, которые используются для цветового зрения. Когда свет попадает на палочки и колбочки, фотопигменты улавливают свет и активируют каскад реакций вторичных мессенджеров, в конечном итоге вызывая гиперполяризацию мембраны. Эта гиперполяризация, в свою очередь, активирует вторичные нейроны сетчатки, которые в конечном итоге передают сигнал рецептора в мозг, где он обрабатывается и используется для создания зрительного восприятия.

Восприятие света у одноклеточных и многоклеточных животных обеспечивается двумя большими семействами белков: опсинами . Гены опсинов делятся на два отдельных суперсемейства: микробные опсины (тип I) и опсины животных (тип II). Роходпсин и пигменты колбочек, обнаруженные у людей, относятся к типу II. Среди других отличий опсины типа I связаны с ионными каналами, а тип II — нет. Следовательно, для работы опсинам типа II требуется батарея внутриклеточных молекул вторичных мессенджеров . Напротив, опсины типа I, являясь канальными белками, непосредственно вызывают внутриклеточные изменения, изменяя мембранный потенциал при активации за счет ионного потока. Опсины типа I, представляющие собой канальные белки, называются каналородопсинами .

При дегенеративных заболеваниях сетчатки, таких как пигментный ретинит (RP), фоторецепторы дегенерируют, и пациенты в конечном итоге теряют зрение. Однако вторичные нейроны сетчатки частично выживают. Как объяснялось выше, эти вторичные нейроны отвечают за обработку сигнала фоторецептора и отправку его в зрительный нерв. Следовательно, хотя пациенты с RP пропускают фоторецепторы, остальная часть зрительного пути готова к работе! Следовательно, каким-то образом эти нейроны должны быть активированы. Для этого существует множество подходов. Имплантаты сетчатки активируют нейроны непосредственно за счет электрической активации ( см. дополнительную литературу № 3 ).

Оптогенетика ( Fenno et al., 2013 ) — это еще один подход, при котором вторичные выжившие нейроны делаются светочувствительными , тем самым обходя фоторецепторы, превращая вторичные нейроны в фоторецепторы. Нейроны становятся светочувствительными, заставляя их экспрессировать канальные родоспины. Это делается путем введения вирусного вектора в глаз таким образом, что вирус заражает клетки сетчатки. Однако вместо жизнеспособного вируса в него вмешиваются, и единственное, что делает вирус, — это включает канальный родопсин в геном нейронов, которые начинают его экспрессировать.

Channelrhodopsins являются катионными каналами, и поэтому при световой активации они пропускают положительно заряженные ионы (особенно Na ⁺ , но также и Ca ⁺ ) в клетку. Это деполяризует нейрон и может вызвать срабатывание потенциала действия ( см. дополнительную литературу № 1 ). Потенциалы действия — это нейронный способ передачи сигналов в мозг. Следовательно, активируя вторичные нейроны посредством трансформации канала родопсина, они начинают посылать в мозг световую нейронную активность. Мозг будет обрабатывать эти входные данные, как если бы они были вызваны фоторецепторами, и, следовательно, интерпретировать их как визуальные стимулы, вызванные светом.

Относительно рака: было показано, что экспрессия channelrhodopsin и освещение целых мышей приводили к уменьшению количества подкожных раковых клеток (yang et al., 2013) .

Что касается вашего первого добавленного вопроса: в зависимости от точных регуляторных последовательностей пептидов, добавленных к белку, или от использования вирусных векторов, специально нацеленных на аксоны, экспрессия каналородопсинов может происходить где угодно .

Ваш второй добавленный вопрос: катионные каналы активируют нейроны, анионные каналы ингибируют их. Это означает, что вы можете экспериментировать с различными вариантами управления нейронами по своему желанию.

Ссылки
Fenno et al. Annu Rev Neurosci 2011; 34:389–412
Yang et al. Гибель клеток и болезни 2013; 4 :e893

Дополнительная литература
1. Потенциалы действия и нейроны: как мозг и нервы создают электрические импульсы
2. Фоторецепторы: параллели между пикселизированным изображением и сетчаткой глаза человека
3. Сетчатка и сетчатка импланты: кодирует-сетчатка-визуальную-информацию-подобную-растровому-или-svg

Дополнение к предыдущему ответу.

Как экспрессировать канальные родопсины в нейронах?

Помимо метода, включающего прямую вирусную инъекцию, как описано в предыдущем ответе, эти белки могут быть экспрессированы в определенных клетках путем создания трансгенных материалов (с использованием промоторов, которые будут экспрессировать нижележащий ген только в определенных клетках).

Как это работает?

Когда нейрон становится светочувствительным за счет эктопической экспрессии канальных родопсинов, их можно заставить «зажечь» (генерировать потенциал действия ) простым освещением. Волоконная оптика используется для освещения определенных нейронов в головном мозге. Смотрите изображение ниже:

Присутствуют ли светочувствительные молекулы (которые, как я теперь прочитал, являются каналородопсинами) вдоль всей аксолеммы…

Они будут экспрессироваться повсюду, но их экспрессия на аксонах может быть ограничена из-за миелинизации. Можно заставить определенные белки экспрессироваться в дендритной области. Для этого требуются сигналы локализации, называемые почтовыми индексами (этот процесс еще недостаточно изучен).

Как же тогда могут работать эти каналы, если любой катион может каким-либо образом диффундировать через канал?

Chr2 может проводить Na ⁺ , Ca2 ⁺ и K ⁺ . Его проводимость для натрия выше, чем для калия. Когда каналы открываются, более высокий поток натрия внутрь запускает потенциал действия (ПД). Кроме того, кальций также помогает в укреплении AP. Хотя канал может проводить Li ⁺ , ион не присутствует во внеклеточной жидкости. Обычно неспецифические каналы не используются.

Кроме того, мне было интересно, можно ли использовать принцип оптогенетики — управление сигналами с помощью света — для других методов лечения, например, для уничтожения раковых клеток?

Свет (например, лазеры) используется для уничтожения раковых клеток, но не использует оптогенетические методы. Сначала вам нужно генетически модифицировать раковую клетку.