Progrès de la recherche en Optogénétique

lumièreGénétiqueOptogenetics est une intégration de l'optique qui se développe rapidement ces dernières années,logicielTechniques de bio - ingénierie à l'intersection de plusieurs disciplines telles que le contrôle, les techniques de manipulation génétique, l'électrophysiologie, etc. Le principe principal est d'utiliser d'abord des techniques de manipulation génique pour transférer des gènes photosensibles tels que chr2, EBR, nahr3.0, Arch ou optoxr, entre autres, dans des types spécifiques de cellules du système nerveux pour l'expression de canaux ioniques spéciaux ou GPCR. Les canaux ioniques photosensibles, stimulés par la lumière à différentes longueurs d'onde, peuvent produire une sélectivité pour le passage des cations ou des anions, ce qui entraîne un changement du potentiel de la membrane des deux côtés de la membrane cellulaire, dans le but d'exciter ou d'inhiber sélectivement la cellule.

La technologie Optogénétique a deux grandes caractéristiques * de haute résolution spatio - temporelle et de spécificité de type cellulaire, surmontant de nombreux inconvénients des moyens traditionnels de contrôle de l'activité cellulaire ou organique, peut effectuer des opérations de stimulation de localisation non invasives sur les neurones et * a changé l'état de la recherche dans le domaine des neurosciences, fournissant des moyens de recherche révolutionnaires pour les neurosciences. lumièreGénétiqueLa technologie a également le potentiel de développer de nouveaux traitements pour une gamme de maladies du système nerveux central à l'avenir.

lumièreGénétiqueL’application des techniques scientifiques s’est développée rapidement après 2010, avec des domaines de recherche appliquée couvrant plusieurs lignées d’animaux de laboratoire classiques (drosophiles, nématodes, souris, rats, lémuriens ainsi que des singes Cynomolgus, etc.) et impliquant de multiples aspects de la recherche en neurosciences, y compris les boucles neuronales.Recherche fondamentale, étude de la mémoire d'apprentissage, étude des dépendances, troubles du Mouvement, troubles du sommeil, modèle de la maladie de Parkinson,DépressionEt des applications telles que les modèles animaux de troubles anxieux.

Dans l'utilisation de la technologie Optogénétique, les scientifiques doivent d'abord rechercher des protéines photosensibles appropriées; Deuxièmement, la transmission de l'information génétique correspondante, c'est - à - dire par transfection, transduction virale,Animaux génétiquement modifiésDes méthodes telles que l'établissement de lignées seront photosensibles aux protéinesGénétiqueTransmission d'informations aux cellules cibles; Les scientifiques ont ensuite utilisé des démonstrations de contrôlabilité pour réaliser des démonstrations de l'activité cellulaire en contrôlant la spécificité de la lumière de démonstration à partir du temps et de l'espace; Après avoir lu les résultats de l'étude, les chercheurs de ce processus peuvent utiliser des électrodes pour mesurer les changements dans l'effet de fluorescence des protéines photosensibles en détectant la tension à l'intérieur et à l'extérieur de la membrane cellulaire et utiliser des biocapteurs fluorescents pour détecter les valeurs lues dans différentes cellules, ce qui permet d'évaluer L'impact de l'activité cellulaire ajustée sur l'animal entier par des tests comportementaux.

Sur cette base, pour la lumièreGénétiqueLes progrès récents dans l'apprentissage de la technologie, une petite série fait un inventaire pour les lecteurs.

1. Cell: des progrès significatifs! Agrandir la boîte à outils Optogénétique en faisant tourner la rhodopsine
doi:10.1016/j.cell.2018.09.026

Dans une nouvelle étude, des chercheurs d'instituts de recherche tels que l'Institut médical Howard Hughes aux États - Unis ont découvert une nouvelle façon de modifier une classe de protéines photosensibles appelées rhodopsine. En retournant ce type de protéines dans la membrane cellulaire, ils sont capables de produire des outils aux propriétés différentes. Les résultats ont été publiés en ligne dans la revue cell le 18 octobre 2018 sous le titre « Expanding the optogenetics Toolkit by Topological Inversion of rhodopsins ». Les auteurs correspondants de l'article sont Joshua dudman et alla Karpova du Howard Hughes Medical Institute. Cette technique permet d'utiliser la lumièreGénétiqueLa technologie optogenetics – une technique qui utilise la lumière pour manipuler l’activité neuronale – Double le nombre de protéines. Ces érythropoïnes hétérozygotes nouvellement développées permettent à ces chercheurs de mener de nouvelles expériences qui pourraient aider à analyser les circuits cérébraux et à étudier la Neuroscience derrière le traitement de la maladie de Parkinson.

Inspirés par l’évolution et dirigés par Jennifer Brown, Reza Behnam, Luke Coddington et Gowan tervo, ces chercheurs ont développé une technique complémentaire pour modifier la nouvelle rhodopsine. En plus des mutations, la présence de recombinaisons – qui permettent de regrouper des domaines protéiques ayant des fonctions différentes par recombinaison génétique – permet également à la diversité protéique d’émerger dans la nature. Les scientifiques pensent que la recombinaison est essentielle à l’émergence d’un petit groupe de protéines – dont l’orientation dans les membranes cellulaires a changé grâce à l’évolution.

Lorsque ces chercheurs ont simulé la recombinaison en ajoutant une nouvelle protéine à une extrémité d'une forme de rhodopsine, elle s'est retournée. C'est vraiment par surprise. Si chaque rhodopsine modifiée ou nouvellement découverte existante obtient de nouvelles fonctionnalités lorsqu'elle est retournée, cela peut conduire à une utilisation pour la lumièreGénétiqueDoubler les outils protéiques dans les techniques d'apprentissage. Non seulement ils ont pu modifier l'orientation des protéines dans les membranes cellulaires, mais ils ont également pu découvrir que ces nouvelles rhodoptines modifiées avaient * de nouvelles fonctions utiles. L'un d'entre eux, appelé flinchr (Full Length Inversion of CHR, retournement complet de Chr), agit comme un neurone d'activation au début. Lorsque le retournement se produit, il devient un inhibiteur puissant et rapide qui peut être utilisé pour mener de nouvelles expériences.

2. Une percée majeure en Optogénétique scientifique! Les nanoparticules de conversion supérieure stimulent profondément le cerveau! Ou renversera le traitement des maladies neurologiques!
doi:10.1126/science.aaq1144; doi:10.1126/science.aar7379

Thomas McHugh, chef de recherche à l'Institut des sciences du cerveau de l'Institut japonais de recherche physico - chimique (RIKEN), et ses collègues ont maintenant trouvé de nouvelles façons d'importer de la lumière de manière non invasive dans les profondeurs du cerveau. Dans leur article publié hier dans Science, ils utilisent upconvertNanoLes particules (ucnp) ont introduit le laser profondément dans le crâne. CetteNanoLes particules peuvent être dans la lumière traditionnelleGénétiqueApprendre des profondeurs inaccessibles absorbe la lumière proche infrarouge et les transforme en lumière visible. Cette méthode est utilisée pour activer les neurones dans différentes régions du cerveau, réduire au silence les convulsions et activer les cellules de la mémoire. « les nanoparticules peuvent prolonger efficacement les profondeurs que nos fibres peuvent atteindre, ce qui permet la livraison à distance de la lumière pour un traitement non invasif », a déclaré McHugh.

En plus d'activer les neurones, les ucnp peuvent également être utilisés pour inhiber la maladie chez les souris épileptiques. Les chercheurs ont injecté des nanoparticules dans la région de l'hippocampe de souris qui peuvent émettre de la lumière verte, qui a ensuite été irradiée à la surface du crâne avec de la lumière proche infrarouge. Résultats les neurones épileptiques de ces souris ont été efficacement réduits au silence. Dans une autre région appelée noyau septal médial, la lumière émise par les nanoparticules favorise la synchronisation du cycle neuronal Theta, une onde cérébrale importante. Chez les souris ayant des souvenirs de peur, les chercheurs ont réussi à provoquer des souvenirs de peur chez les souris dans la région de l'hippocampe en utilisant des ucnp qui peuvent briller. Ces effets d'activation neuronale, d'inhibition et d'excitation de la mémoire n'ont été observés que chez les souris auxquelles les nanoparticules ont été injectées.

3.science: boostez le développement de la génétique optique! Analyse de la structure tridimensionnelle de la canaline 2 de la rhodoptine
doi:10.1126/science.aan8862; doi:10.1126/science.aar2299

La channelrhodopsine 2 (chr2) est une protéine membranaire largement utilisée dans les techniques optogénétiques. lumièreGénétiqueLa technique scientifique est une technique relativement nouvelle qui consiste à utiliser la lumière pour manipuler les neurones et les cellules musculaires dans un organisme vivant. Des méthodes similaires ont été utilisées pour inverser partiellement la perte auditive / visuelle et contrôler les contractions musculaires.

Pour découvrir la structure de chr2, des chercheurs allemands, français, russes et tchèques ont utilisé une technique analytique appelée Diffraction des rayons X. Cette technique n'est utilisée que pour l'analyse d'échantillons de protéines présentes sous forme cristalline. Ils ont cultivé des cristaux de la protéine chr2 dans une phase intermédiaire lipidique cubique qui permet aux protéines de se déplacer librement sans quitter la membrane. Ils ont utilisé des rayons X d'une longueur d'onde d'environ 1 angström pour éclairer les cristaux de la protéine chr2 qu'ils avaient cultivés et ont réussi à analyser la structure de la protéine chr2 en analysant la Diffraction des rayons X dans ces cristaux de protéine. Les résultats ont été publiés dans la revue Science le 24 novembre 2017 sous le titre Structural Insights into ion conduction by channelrhodopsin 2.

Hippocampus: thérapie "Optogénétique" ou capable de restaurer la mémoire d'une partie des personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer
Doi: 10.1002 / hipo.22756

Des chercheurs de l'Université de Columbia ont publié un article dans la revue Hippocampus disant que par la lumièreGénétiqueLes moyens étudiés ont permis de restaurer la mémoire chez les souris atteintes de la maladie d'Alzheimer. Cette découverte pourrait changer notre compréhension de la maladie.

Tout d'abord, les auteurs ont modifié optogénétiquement les souris pour qu'elles émettent une fluorescence de couleur lumineuse lorsqu'elles stockent des souvenirs et une Fluorescence Rouge lorsqu'elles les récupèrent. Après cela, l'auteur a acceptéGénétiqueLes souris de type sauvage modifiées ont été stimulées avec des souris Alzheimer avec une odeur de citron, puis une stimulation électrique a été appliquée, ce qui a permis à ces deux souvenirs de former une association. Une semaine plus tard, les auteurs ont de nouveau donné à ces souris le frisson de l'odeur de citron. Les résultats ont montré que les souris de type sauvage étaient capables de fluorescence jaune et rouge en même temps, ainsi que des manifestations de peur, ce qui indique qu'il a également eu lieu une récupération de la mémoire (Recall) en même temps que la formation de la mémoire. Cependant, les régions du cerveau qui brillent chez les souris Alzheimer sont significativement différentes, ce qui indique que leur cerveau est perturbé lors de la récupération de la mémoire. Par la suite, les chercheurs ont utilisé un faisceau de lumière bleue pour stimuler le cerveau des souris, ce qui a permis d’activer à nouveau la mémoire de l’odeur de citron, ainsi que la stimulation électrique, de sorte que les souris ont montré une manifestation de frissons en sentant à nouveau l’odeur ci - dessus.

5.cell: l'Optogénétique permet aux souris d'incarner le tueur
doi:10.1016/j.cell.2016.12.027

A l'intérieur de chaque souris se cache un tueur. Les chercheurs ont identifié les zones du cerveau qui contrôlent le comportement de chasse et ont réussi à trouver un moyen de contrôler ses interrupteurs. Le Dr Ivan de Araujo et ses collègues de l’université de Yale ont découvert deux groupes de nerfs dans le cerveau qui contrôlent le comportement de chasse des souris, l’un coordonnant la chasse à la proie et l’autre contrôlant les muscles du cou et de la mâchoire inférieure, tous deux dans l’amygdale, une zone du corps impliquée dans l’action, les sentiments et la peur.

En modifiant ces nerfs, ils peuvent les activer par laser, une technique appelée lumièreGénétiqueL'équipe de recherche a ainsi pu contrôler les interrupteurs de ces voies à tout moment. Lorsque le laser est éteint, les souris marchent normalement autour de la cage et une fois que le laser est allumé, les souris attaquent frénétiquement tout ce qui se trouve sur leur chemin: des grillons vivants, de faux insectes ou même des branches ou des bouchons de bouteilles. Ils se jettent sur leurs proies, les attrapent avec leurs pattes et les déchirent à plusieurs reprises.

Par la suite, les chercheurs ont essayé d'inhiber la fonction de chaque groupe de nerfs séparément, et quand ils ont inhibé les nerfs responsables de la chasse à la proie, les rats ont poursuivi plus lentement, mais ont continué à déchirer; À son tour, si les nerfs responsables de la déchirure sont inhibés, les souris chassent leurs proies, mais ne les déchirent pas.

6. Oncotarget: utilisation de l'Optogénétique pour contrôler l'oncogenèse
doi:10.18632/oncotarget.8036

Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'Université Tufts aux États - Unis ont confirmé, sur la base d'un modèle de grenouille, l'utilisation de la lumière pour contrôler les signaux électriques entre les cellules, arrêter la formation de tumeurs et, une fois qu'elles se sont formées, les normaliser. Cette étude rapporte l'utilisation de la lumièreGénétiqueApprendre à manipuler spécifiquement les signaux bioélectriques pour arrêter la formation de tumeurs induite par l'oncogène, et provoquer l'induction d'oncogènesTumeursS'estompe. Les résultats ont été publiés en ligne le 16 mars 2016 dans la revue oncotarget sous le titre « use of genetically Encoded, Light Gated ion translocators to control Tumorigenesis ».

La Grenouille est un bon Organisme modèle pour la recherche scientifique fondamentale sur le cancer, car les tumeurs de grenouilles et de mammifères partagent de nombreuses caractéristiques, notamment une division cellulaire rapide, une destruction tissulaire, une augmentation de la croissance des vaisseaux sanguins, une infiltration et des cellules contenant des tensions positives internes anormales. Presque toutes les cellules saines maintiennent une tension négative plus élevée à l'intérieur de la cellule par rapport à l'extérieur de la cellule; L'ouverture et la fermeture des canaux ioniques dans les membranes cellulaires peuvent entraîner une tension plus positive (pour dépolariser les cellules) ou plus négative (pour polariser les cellules). Dans d'autres conditions normales, l'utilisationTumeursLes caractéristiques anormales des signaux bioélectriques permettent de les détecter.

Neuron: supprimer la mémoire? Le futur peut - être
doi:10.1016/j.neuron.2014.09.037

Récemment, dans un article de recherche publié dans la revue neuron, des chercheurs du Centre de recherche en neurosciences de l'Université de Californie à Davis ont utilisé la lumière pour éliminer avec succès des souvenirs spéciaux dans le cerveau des souris, une étude qui fournit une certaine idée des mécanismes qui révèlent comment différentes parties du cerveau travaillent ensemble pour restaurer la Mémoire épisodique.

lumièreGénétiqueL’optogenetics est une nouvelle technologie qui utilise la lumière pour étudier les cellules nerveuses et qui a été rapidement adoptée par les scientifiques ces dernières années comme méthode standard pour étudier le fonctionnement du cerveau. Le chercheur Kazumasa Tanaka a appliqué cette technique à des études sur la récupération de la mémoire, etc. pendant 40 ans, les scientifiques ont émis l’hypothèse que la récupération de la Mémoire épisodique (même lors d’événements spéciaux dans des endroits spéciaux, etc.) impliquait une activité coordonnée entre le cortex cérébral et l’hippocampe, la théorie étant d’étudier les modes de réactivation de l’activité cérébrale impliquant le cortex cérébral et l’hippocampe lors de la récupération de la Mémoire épisodique, de sorte que les individus subissent à nouveau ces événements, et si l’hippocampe est endommagé, le patient perd des décennies de mémoire.

Dans l'article, les chercheurs utilisentGénétiqueDes souris modifiées ont été étudiées lorsque les cellules nerveuses de souris ont été activées après qu'elles puissent toutes Fluorescence verte et exprimer des protéines spéciales pour faciliter l'arrêt des cellules nerveuses par la lumière, les chercheurs ont placé les souris dans des cages où elles ont été entraînées, où les souris subiraient un choc électrique, les souris normalement Dans un nouvel environnement utiliseraient leur sens de l'odorat pour s'adapter à l'environnement, mais lorsqu'elles ont été placées dans un nouvel environnement après un choc électrique, elles seraient dans une réaction de peur.

8.nature: un nouvel espoir pour les outils optogénétiques, la structure kr2 du canal Sodium conduit par la lumière est analysée
doi:10.1038/nature14322

Des scientifiques japonais ont publié un article académique dans la revue Nature disant qu'ils ont résolu la structure de la protéine de Canal ionique de sodium kr2 induite par la lumière pour une nouvelle génération future de lumièreGénétiqueApprendre les outils crée le possible.

Beaucoup d'organismes peuvent absorber l'énergie de la lumière ou percevoir les informations de la lumière en se basant sur une molécule de rhodopsine. Cette molécule est une Protéine transmembranaire à 7 hélices Alpha (opsine) liée à une molécule de rétinol par une liaison covalente. Selon l'espèce de l'opsine peut être divisé en animal et l'opsine microbienne. La fonction de la rhodopsine chez les micro - organismes diffère de celle des animaux, principalement en tant que Canal ionique, transporteur d'ions, molécule photosensible ou kinase. La rhodopsine de ce microorganisme reçoit une attention croissante. C'est parce que les canaux ioniques et les pompes à ions de type rhodopsine peuvent être utilisés pour l'activité des cellules nerveuses dans de nombreux organismes vivants et sont devenus une lumière très puissante dans le domaine des neurosciences.GénétiqueApprendre les outils.

On pense généralement que les ions hydrogène chargés positivement de la base de Schiff seront localisés dans les canaux ioniques de toutes les pompes photoioniques et sont censés bloquer le passage des anions et des molécules neutres. La résolution de la structure kr2 soulève à son tour de nouvelles questions sur la façon dont cette pompe à ions transporte les ions sodium.

Neuron: des scientifiques de Chicago réalisent une nouvelle percée dans la technologie Optogénétique
doi:10.1016/j.neuron.2015.02.033

Au cours des dernières années, les scientifiques ontEpigénétiqueEn profondeur dans le domaine de la recherche, on commence à espérer contrôler l'état des cellules in vivo, en particulier des cellules neuronales, par stimulation in vitro. Ce domaine a de vastes perspectives d'application, telles que le traitement des maladies génétiques telles que les lésions maculaires. Sur cette base, la lumièreGénétiqueDes disciplines telles que l'étude ont été établies. Jusqu'à présent, cependant, pour atteindre cet objectif, les chercheurs ont dû modifier génétiquement les neurones. Cela a également considérablement entravé la popularité de cette technologie.

Près de chercheurs de l'Université de Chicago et de l'Université de l'Illinois à Chicago ont réalisé une percée dans ce domaine. Les chercheurs ont utilisé la chaleur produite par la lumière infrarouge lointain pour contrôler les activités vitales normales des cellules neuronales normales. Contrairement à la pratique antérieure consistant à exprimer des protéines photosensibles dans des cellules neuronales normales, les scientifiques de Chicago ont choisi d'utiliser des nanoparticules d'or pour localiser des neurones spécifiques. Pour résoudre le problème de la spécificité des nanoparticules d'or, les chercheurs ont attaché une neurotoxine scorpion, TS1, aux nanoparticules d'or. TS1 peut cibler les cellules neuronales de reconnaissance en reconnaissant les canaux ioniques de sodium à la surface des cellules neuronales. C'est aussi l'homme qui ne modifie pas les neuronesGénétiqueSur la base des caractéristiques, atteindre le but de l'activité neuronale contrôlée par la lumière. L'étude en est encore à ses débuts, cependant, et les chercheurs ont également déclaré que TS1 pourrait être toxique pour les cellules neuronales. Ce travail de recherche a été publié dans la revue neuron.

10. Nat Methods: les photosensibilisateurs contrôlent le ciblage cellulaire
doi:10.1038/nmeth.3735

Dans une étude publiée dans la revue Nature Methods, des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon aux États - Unis travaillent pour la lumièreGénétiqueLes photosensibilisateurs en science ont été redessinés pour développer une sonde fluorescente pour contrôler les cellules, une technologie qui peut aider à comprendre le rôle de cellules et de protéines spécifiques dans la survenue de maladies, et qui offre également un espoir pour le développement ultérieur de thérapies ciblées contre le cancer ou d'autres maladies.

L'Optogénétique est l'utilisation de la lumière pour contrôler les processus biologiques de l'organisme, et les chercheurs mettent généralement en œuvre le processus de cellules photocontrôlées en reprogrammant des composants activés par la lumière dans le code génétique de l'organisme, ce qui favorise certaines parties des tissus de l'organisme à remplir * différentes fonctions lorsque ces composants sont exposés à la lumière. Les chercheurs ont passé près de 10 ans à développer des sondes fluorescentes appelées protéines activées par Fluorophore (FAP), souvent utilisées pour surveiller l'activité des protéines en temps réel dans les cellules vivantes, où une protéine activée par Fluorophore est généralement réalisée.GénétiqueSexuellement exprimé, lorsque son colorant Fluorescent éponyme fluorogenèse entre en contact, le complexe brille, ce qui permet aux scientifiques de l'observer et de le suivre.

Pour allumer la lumière, dit le chercheur bruchezGénétiqueNous avons conçu les colorants fluorescents pour qu'ils puissent non seulement émettre de la lumière, mais aussi produire de l'oxygène singlet, une forme toxique d'oxygène qui, lorsqu'il se lie à des protéines activées par Fluorophore et est exposé à la lumière, cible les protéines activées par Fluorophore et la méthode d'activation des photosensibilisateurs (FAP - TAPS) permet aux scientifiques de voir clairement les protéines marquées, tout en inhibant sélectivement l'activité de ces protéines. (vallée biologique)