27、光遗传学：原理、技术与应用

光遗传学：原理、技术与应用

1. 光遗传学简介

光遗传学是利用光和基因编码的光敏蛋白来调节特定细胞活动的技术。在神经科学领域，它可用于快速激活或抑制大脑中特定神经元群体。其基本组成部分包括：
- 靶向特定细胞的光敏分子；
- 向大脑输送光；
- 对系统进行光遗传学操作的电生理或行为读数。

2. 微生物视蛋白

20世纪70年代，视蛋白在细菌和藻类中被发现，随后得到了广泛研究。直到最近，它才被用于毫秒级控制哺乳动物神经元的动作电位。I型（微生物）视蛋白是存在于古细菌、细菌和藻类中的七跨膜结构域蛋白。直接将光转化为离子运输的主要微生物视蛋白类别有：
- 通道视紫红质（Channelrhodopsins）
- 卤化视紫红质（Halorhodopsins）
- 古视紫红质（Archaerhodopsins）

其他类别的视紫红质会招募细胞内和第二信使系统，但不会直接导致离子通量。视蛋白要具有光敏性，需要全反式视黄醛辅因子与视蛋白视黄醛结合口袋中的赖氨酸残基结合，这种复合物被称为视紫红质。在光照下，全反式视黄醛光异构化为13 - 顺式视黄醛，导致视蛋白构象改变，从而允许离子运输。

幸运的是，哺乳动物组织中含有足够的全反式视黄醛，使微生物视蛋白能够发挥作用，基于视蛋白的光遗传学工具已在各种哺乳动物大脑（如啮齿动物和非人类灵长类动物）中得到应用。不过，在一些物种（如秀丽隐杆线虫和斑马鱼的神经系统）中，需要补充全反式视黄醛才能使视蛋白发挥作用。

2.1 兴奋作用

通道视紫红质2（ChR2）是从莱茵衣藻中鉴定出的一种光激活离子通道，也是首个用于证明对哺乳动