专门为光遗传设计，让细胞安全、稳定地表达光敏感蛋白
大家好~我是张博，吉凯新产品团队的搬砖新人！作为新产品的技术支持，除了说学逗唱，最重要的就是紧跟时代潮流，学习各种新知识！上至世界和平，下到小道八卦，都要了解~
奇葩年年有，今年特别多。比如最近炙手可热的美帝网红特朗普，完美的诠释了：不想当总统的地产商不是好段子手……对于他的奇谈怪论大家已经见怪不怪，但最近演讲中的言论还是让小伙伴惊呆了：“我爱没文化的人” 、“为了削弱美国制造业的竞争性，中国人为自己创造出了全球变暖的观念。”……这样的言论真是让人恨不得扒开他的脑子看看~
而对于真正研究大脑的人来说，这个世界有太多比美国商人的搞笑行为更需要关注的事情，比如说为什么有的人会幻听？为什么智商甩普通人几条街的科学大家也会患上阿尔兹海默症？又是哪个神经元发出了让老板发工资这个动作信号的？……研究大脑神经绝对是这世界上最有趣而且复杂的工作之一。
传统意义上的神经活动调控主要是通过电刺激或者神经药理学方法实现的。电刺激方法通过向细胞内注入电流或者在细胞外给予场电势来激活神经的活动，听起来这个方法的时间可控性非常好，但是很难实现对个细胞或者多个部位同时刺激，而且细胞外场电势刺激方法的细胞特异性和空间精度很低……加药的方法就更糟糕了，由于药物的扩散性和加药方式的影响，在时间、空间和细胞特异性上都很难控制。最最最重要的是！过电或者加药这种事情对于被刺激的细胞会造成不可逆的损伤，控制不好的话轻则痴傻，重则大小便失禁，晚期那就是植物鼠！
辛辛苦苦好几年，一夜回到解放前……
那么有什么好方法是可以避免外源性的异物损伤呢？科学家们苦苦探索多年，直到2005年的一天，一位年轻的美国小伙子Karl Deisseroth，一拍脑袋（也可能是被苹果砸了），想到，如果能让大脑的神经元感光不就好咯？于是他将光敏感的蛋白安装到大脑的神经元，给大脑中的神经元装上了眼睛，大脑中的神经元就看到了更加美丽多彩的世界，脑科学家们也进入了另外一个研究的新时代。这项技术就是光控基因技术，即光遗传~
Deisseroth, D., 2011. Optogenetics. Nature Methods, 8(1): 26-29.
（另据小道消息，这位少年现在正计划把人类大脑变成透明的以方便研究，让我们一起期待这项黑科技吧，啦啦啦……）
光遗传技术的基本原理即找到合适的光敏蛋白，将翻译感光元件蛋白的DNA通过转导、转染或者转基因的方法整合到靶标细胞基因组中，使靶标细胞能够响应指定的光源。举个栗子，
当与蓝光光敏蛋白ChR2共价结合的all-trans-retinal吸收了光子，促使ChR2分子构象发生变化，蛋白中间出现阳离子通道，Na离子和Ca离子的内流就可使细胞内电位上升，细胞去极化兴奋。
如果表达ChR2的是神经细胞，膜电位去极化可激活在轴突末端的电压门控钙通道，轴突末端的钙内流可促使神经细胞产生动作电位，释放神经递质囊泡。通过光线刺激不同的细胞，即可刺激不同细胞产生响应，获得不同组织部分对于行为的作用，进而控制小鼠的行为。很神奇有没有，不用打针吃药，也不管小鼠是做梦还是活动，只要一点点光源刺激，即可让它听指挥！
下面请欣赏，哑剧，光控小鼠斗手套！
Nature Methods杂志在十周年之际推出了纪念特刊，点评了在过去十年中对生物学研究影响最深的十大技术，其中就包括光遗传学技术。应用这个方法，针对动物行为学的研究可谓是突飞猛进。
图为2005年光遗传学第一次出现开始至今相关的论文数量(来自Nature Neuroscience，2015，DOI: 18:1213-1225)
可见关于光遗传的论文近年成为各大主流杂志的新宠，其中不乏CNS这种级别的，例如这篇新鲜热乎的Nature Method：
Yu, X., et al., 2016. Sensory and Optogenetically Driven Single-vessel fMRI. Nature Methods, DOI: 10.1038/nmeth.3765.
看到这里，各位老师是不是已经摩拳擦掌跃跃欲试了呢？
那么问题来了，模式动物和光源都容易搞定，如何让细胞安全、稳定地表达光敏感蛋白呢？
莫慌，抱紧我~专门为光遗传设计的腺相关病毒（AAV）帮到您！
ChR2：响应蓝光的阳离子通道,引起细胞膜的去极化并产生动作电位。
NpHR：黄绿光驱动的氯离子通道，用于引起神经元超极化抑制神经电传导。
不过，感染细胞的病毒辣么多，我们为什么要选AAV呢？
首先，AAV目前唯一一个NIH评级为RG1的病毒载体，迄今从未发现野生型AAV致病；重组AAV去除了野生型AAV基因组的96%，进一步保证了安全性；由于AAV不插入基因组，因而没有致癌性；其本身的免疫原性又基本不会引起免疫排斥，相对其他病毒优势非常明显。
其次，AAV不仅可感染分裂细胞，而且可感染静止期细胞，简直是高度分化，基本无再生分裂能力的神经元细胞唯一指定病毒！
同时，重组AAV(rAAV)有最少半年的表达时间，可长期稳定地表达外源基因，保证了对于实验动物行为长期监测的需求；
最重要的一点，AAV有相当强的靶向性，目前根据衣壳的差异，AAV可分为12种血清型(AAV-1~AAV-12)和100多种变异体，可以有针对性的转染神经系统，肺，视网膜，肌肉，心脏等。
例如刚刚提到的那篇Nature Methods文章也是用了AAV5血清型呢！
用AAV使细胞表达光敏蛋白，有了如此利器，科研从此so easy，相信用不了多久，您就会升职加薪，当上总经理，出任CEO，迎娶白富美，走向人生巅峰，想想有没有点小激动？
当然，作为如此高深的一门学问，光遗传可不止有这一种应用，他还可以应用于其他的很多方面，比如修改记忆，研究阿尔兹海默症，治疗失明等等，不过下次再说吧~我忽然想起来我要去找黄博一起研究一下如何找机会改造陈博那个大尾巴狼的大脑了，摘见~
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