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目前已有的光遺傳學(xué)工具應(yīng)用于突觸前末端時(shí)存在低效率（eNpHR3.0）以及脫靶效應(yīng)（eArch3.0），而化學(xué)遺傳手段雖然能夠通過(guò)結(jié)合GPCR來(lái)調(diào)控突觸前末端神經(jīng)遞質(zhì)的釋放,，但時(shí)空精確性不足,。 那么是否能夠有一種不易受光漂白的Gi/o偶聯(lián)視紫紅質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效且靶向光調(diào)控突觸前神經(jīng)遞質(zhì)的釋放呢,？ 近日,，來(lái)自于以色列魏茲曼科學(xué)研究所神經(jīng)生物學(xué)系的Ofer Yizhar研究員及其博士后學(xué)生Mathias Mahn基于上述思考，篩選開(kāi)發(fā)了新的光遺傳學(xué)工具,，即是脊椎動(dòng)物腦視蛋白的靶向增強(qiáng)型蚊源同源蛋白（eOPN3）,，這一蛋白能夠通過(guò)Gi/o信號(hào)通路來(lái)減少突觸前末端神經(jīng)遞質(zhì)的釋放進(jìn)而有效抑制突觸傳遞。  歡迎加入 光遺傳學(xué)討論群 神經(jīng)環(huán)路討論群 神經(jīng)調(diào)控研討群 添加小編微信 brainnews_11 -留言：加群+關(guān)鍵詞- 在脊椎動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物中,，雙穩(wěn)態(tài)II型視紫紅質(zhì)含量很高,，且其光漂白作用很低。許多已知的脊椎動(dòng)物視紫紅質(zhì)都能夠通過(guò)Gi/o途徑偶聯(lián),，然而它們?cè)?strong>G蛋白解離后作為其自然光轉(zhuǎn)導(dǎo)周期的一部分經(jīng)歷了光漂白,。 通過(guò)對(duì)數(shù)種雙穩(wěn)態(tài)視紫紅質(zhì)變體進(jìn)行測(cè)試，特別針對(duì)它們?cè)诓溉閯?dòng)物神經(jīng)元中的表達(dá)以及其Gi/o途徑激活和光介導(dǎo)突觸前釋放抑制的能力,。 經(jīng)過(guò)篩選,，發(fā)現(xiàn)了脊椎動(dòng)物腦視蛋白（OPN3）的蚊源同源物，這是一種雙穩(wěn)態(tài)Ⅱ型視紫紅質(zhì),，可以有效且特異性地募集Gi/o級(jí)聯(lián)信號(hào),。 進(jìn)一步地對(duì)OPN3進(jìn)行改造，將ER轉(zhuǎn)運(yùn)信號(hào)（ER）與高爾基體運(yùn)輸信號(hào)（ts）一起添加到OPN3,，產(chǎn)生增強(qiáng)的OPN3-ts-mScarlet-ER（eOPN3）,，可在培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元中提高總體表達(dá)并增強(qiáng)膜靶向性。 經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,，eOPN3蛋白的吸收光為512nm,，且在哺乳動(dòng)物神經(jīng)元中有良好的耐受性，也不會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元興奮性的顯著光依賴性生理變化（圖1）,。 圖1 eOPN3的構(gòu)建 2.eOPN3的功能驗(yàn)證 在器官型海馬切片培養(yǎng)物的錐體神經(jīng)元胞體-樹(shù)突區(qū)域中能觀察到eOPN3-mScarlet的表達(dá),，給光后也能觸發(fā)內(nèi)源性G蛋白偶聯(lián)的鉀離子內(nèi)流通道（GIRK），表明eOPN3能夠在海馬CA3的椎體神經(jīng)元中表達(dá)并向遠(yuǎn)端的CA1軸突末端轉(zhuǎn)移,，并激活Gi/o信號(hào)通路（圖2）,。 圖2 eOPN3激活Gi/通路的GIRK通道 進(jìn)一步地，對(duì)表達(dá)eOPN3的海馬神經(jīng)元給光調(diào)控,，能夠?qū)е屡d奮性長(zhǎng)時(shí)程突觸后電流（EPSCs）的減小,，成對(duì)脈沖比率（PPR）的增加；而海馬中間神經(jīng)元地抑制性突觸后電流（IPSCs）的PPR也同樣增加,，表明eOPN3能夠有效抑制突觸前神經(jīng)遞質(zhì)的釋放（圖3）,。 同樣地，在海馬切片中對(duì)CA1軸突末端進(jìn)行局部給光激活,，也能夠抑制EPSCs,，但不影響CA3的神經(jīng)元胞體動(dòng)作電位，證明了eOPN3在軸突中的激活是有效且不影響胞體的興奮性,。 圖3 eOPN3抑制海馬神經(jīng)元神經(jīng)遞質(zhì)釋放 最后,，為了驗(yàn)證eOPN3在體內(nèi)調(diào)控神經(jīng)環(huán)路的有效性，在小鼠的黑質(zhì)致密部（SNc）進(jìn)行了單側(cè)eOPN3表達(dá),。 結(jié)果表明,，給光激活SNc的eOPN3能夠有效抑制SNc到對(duì)側(cè)背側(cè)紋狀體（DMS）的多巴胺能神經(jīng)元投射環(huán)路，導(dǎo)致小鼠在自由運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的偏向性（圖3）,，這與以往文獻(xiàn)中報(bào)道的單側(cè)抑制SNc可能會(huì)引起動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)偏好性現(xiàn)象一致,。 圖4 光激活eOPN3能夠抑制單側(cè)SNc 這項(xiàng)研究與Bruchas 和Gereau實(shí)驗(yàn)室使用七鰓鰻parapinopsin（PPO）[1]是首次描述了雙穩(wěn)態(tài)非視覺(jué)性視紫紅質(zhì)的光遺傳學(xué)應(yīng)用，可有效經(jīng)光控門控沉默突觸傳遞,。 eOPN3和PPO的獨(dú)特光譜特征,，特別是在它們的兩個(gè)光子截面中，將有可能使它們共同用于細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的雙通道光遺傳學(xué)控制,。這兩種視紫紅質(zhì)是廣泛的非視覺(jué)視紫紅質(zhì)家族的一員,，該家族的其他成員在異源表達(dá)時(shí)表現(xiàn)出結(jié)合Gi/o信號(hào)通路的性質(zhì)。 這兩種非視覺(jué)視紫紅質(zhì)蛋白的應(yīng)用提示著該家族的其他成員可能具有相同的開(kāi)發(fā)潛力,，希望未來(lái)能夠被進(jìn)一步工程化以達(dá)成光譜調(diào)諧或特異偶聯(lián)G蛋白通路,。 原文鏈接： https:///10.1016/j.neuron.2021.03.013  [1] Copits BA, Gowrishankar R, O'Neill PR, Li JN, Girven KS, Yoo JJ, Meshik X, Parker KE, Spangler SM, Elerding AJ, Brown BJ, Shirley SE, Ma KKL, Vasquez AM, Stander MC, Kalyanaraman V, Vogt SK, Samineni VK, Patriarchi T, Tian L, Gautam N, Sunahara RK, Gereau RW 4th, Bruchas MR. A photoswitchable GPCR-based opsin for presynaptic inhibition. Neuron. 2021 May 10:S0896-6273(21)00307-X. doi:10.1016/j.neuron.2021.04.026. Epub ahead of print. PMID: 33979635. 編譯作者：Sybil（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)） 校審：Simon（brainnews編輯部） |
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