Anion-vodivý kanál rhodopsin - Anion-conducting channelrhodopsin
Aniontově vodivé kanálové rodopsiny jsou světelně brány iontové kanály které se otevřou v reakci na světlo a nechají záporně nabité ionty (například chlorid) vstoupit do buňky. Všechno channelrhodopsins použití sítnice jako pigment citlivý na světlo, ale liší se svou iontovou selektivitou. Aniontově vodivé kanálové rodopsiny se používají jako nástroje k manipulaci s mozkovou aktivitou u myší a ovocných mušek (Optogenetika ). Neurony exprimující anodově vodivé kanálové rodopsiny jsou umlčeny, když jsou osvětleny světlem, což je účinek, který byl použit k vyšetřování zpracování informací v mozku. Například potlačení dendritické hroty vápníku ve specifických neuronech se světlem snížila schopnost myší vnímat lehký dotek na vous.[2] Studium toho, jak se chování zvířete mění, když jsou určité neurony umlčeny, umožňuje vědcům určit roli těchto neuronů v komplexních obvodech ovládajících chování.
První anodově vodivé kanálové rodopsiny byly vyrobeny z kationtově vodivého světelného kanálu Channelrhodopsin-2 odstraněním negativně nabitých aminokyselin z pórů kanálu (obr. 1).[3] Jako hlavní anion z extracelulární tekutina je chlorid (Cl−), aniontově vodivé kanálové rodopsiny jsou také známé jako „chloridově vodivé kanálové rodopsiny“ (ChloCs). Přirozeně se vyskytující aniontově vodivé kanálové rodopsiny (ACR) byly následně identifikovány v kryptofyt řasy.[4][5][6] Krystalová struktura přírodního GtACR1 byla nedávno vyřešena a připravila tak cestu pro další proteinové inženýrství.[7][8]
Varianty
název | druh původu | vstřebávání | odkaz | vlastnosti, aplikace |
---|---|---|---|---|
slowChloC | Chlamydomonas reinhardtii | modrý | Wietek a kol. 2014[3] | první generace, smíšená vodivost |
iC1C2 | Chlamydomonas reinhardtii | modrý | Berndt a kol. 2014[9] | první generace, smíšená vodivost |
iChloC | Chlamydomonas reinhardtii | modrý | Wietek a kol. 2015[1] | inhibice vnímání u myší[2] |
iC ++ | Chlamydomonas reinhardtii | modrý | Berndt a kol. 2016[10] | inhibice spánku u myší[11] |
GtACR1 | Guillardia theta | zelená | Govorunova a kol. 2015[4] | inhibice chování v Drosophila[12][13] inhibice krysy buňky srdečního svalu[14] holografické potlačení špiček v mozkové kůře[15] |
GtACR1 (C102A) | Guillardia theta | zelená na červeně vypnuto | Govorunova a kol. 2018[6] | bistabilní |
GtFLASH ACR1 (R83Q / N239Q) | Guillardia theta | zelená na | Kato a kol. 2018[7] | velmi rychlé zavírání, velké proudy inhibice plavání C. elegans, inhibice stoukání u myši[7] |
GtACR2 | Guillardia theta | modrý | Govorunova a kol. 2015[4] | inhibice chování v Drosophila[12] inhibice vyhynutí strachu u myší[16] |
PsACR1 | Proteomonas sulcata | zelená | Wietek a kol. 2016,[17] Govorunova a kol. 2016[18] | velké proudy |
ZipACR | Proteomonas sulcata | zelená | Govorunova a kol. 2017[5] | velmi rychle |
RapACR | Rhodomonas salina | zelená | Govorunova a kol. 2018[6] | velmi rychlé, velké proudy |
SwiChR ++ | Chlamydomonas reinhardtii | modrá na červeně vypnuto | Berndt a kol. 2016[10] | bistabilní |
Phobos CA. | Chlamydomonas reinhardtii | modrá na červeně vypnuto | Wietek a kol. 2017[19] | bistabilní |
Aurora | Chlamydomonas reinhardtii | oranžová červená | Wietek a kol. 2017[19] | zastavit pohyb Drosophila larvy |
Aplikace
Jako anodové vodivé kanálové rhodopsiny (ACR) optogenetický nástroje k inhibici neuronové aktivace. Při expresi v nervových buňkách působí ACR jako světelné brány chloridové kanály. Jejich účinek na aktivitu neuronu je srovnatelný s GABAA receptory, chloridové kanály řízené ligandem nalezené v inhibiční synapsí: Protože koncentrace chloridů ve zralých neuronech je velmi nízká, osvětlení vede k přílivu záporně nabitých iontů směrem dovnitř a upíná neuron na chlorid reverzní potenciál (- 65 mV). Za těchto podmínek nejsou excitační synaptické vstupy schopné účinně depolarizovat neuron. Tento efekt je znám jako inhibice posunu (na rozdíl od inhibice hyperpolarizace ). Osvětlení dendrit zabraňuje tvorbě dendritické hroty vápníku zatímco osvětlení celých neuronových bloků akční potenciál zahájení v reakci na smyslovou stimulaci.[2][1] Axonové svorky, nicméně, mají vyšší koncentraci chloridu, a jsou proto vzrušeni ACR.[20] Pro inhibici neuronů s osvětlením v širokém poli se ukázalo užitečné omezit ACR na somatické oddělení (varianty ST).[16][15]
Díky své vysoké světelné citlivosti mohou být ACR aktivovány tlumeným světlem, které nenarušuje vizuální stimulaci, a to ani u velmi malých zvířat, jako je ovocná muška Drosophila.[13]
Další čtení
Neuron Review (2017): Silencing neurons: Tools, Applications, and Experimental Constraints[21]
Zvýraznění výzkumu: Lepší způsob vypnutí neuronů[22]
Perspektiva: Rozšíření sady nástrojů optogenetiky[23]
Příbuzný: Halorhodopsin, chlorid poháněný světlem čerpadlo
Reference
- ^ A b C Wietek, Jonas; Beltramo, Riccardo; Scanziani, Massimo; Hegemann, Peter; Oertner, Thomas G .; Wiegert, J. Simon (10. 10. 2015). "Vylepšený chlorodový kanálrhodopsin pro světlo indukovanou inhibici neuronální aktivity in vivo". Vědecké zprávy. 5: 14807. doi:10.1038 / srep14807. ISSN 2045-2322. PMC 4595828. PMID 26443033.
- ^ A b C Takahashi, Naoya; Oertner, Thomas G .; Hegemann, Peter; Larkum, Matthew E. (2016-12-23). "Aktivní kortikální dendrity modulují vnímání". Věda. 354 (6319): 1587–1590. doi:10.1126 / science.aah6066. ISSN 0036-8075. PMID 28008068. S2CID 28317052.
- ^ A b Wietek, Jonas; Wiegert, J. Simon; Adeishvili, Nona; Schneider, Franziska; Watanabe, Hiroši; Tsunoda, Satoshi P .; Vogt, Arend; Elstner, Marcus; Oertner, Thomas G .; Hegemann, Peter (2014-04-25). „Konverze Channelrhodopsinu na chloridový kanál se světelnou bránou“. Věda. 344 (6182): 409–412. doi:10.1126 / science.1249375. ISSN 0036-8075. PMID 24674867. S2CID 206554245.
- ^ A b C Govorunova, Elena G .; Sineshchekov, Oleg A .; Janz, Roger; Liu, Xiaoqin; Spudich, John L. (08.08.2015). „Aniontové kanály s přirozeným světlem: Rodina mikrobiálních rodopsinů pro pokročilou optogenetiku“. Věda. 349 (6248): 647–650. doi:10.1126 / science.aaa7484. ISSN 0036-8075. PMC 4764398. PMID 26113638.
- ^ A b Govorunova, Elena G .; Sineshchekov, Oleg A .; Rodarte, Elsa M .; Janz, Roger; Morelle, Olivier; Melkonian, Michael; Wong, Gane K.-S .; Spudich, John L. (03.03.2017). „Rozšiřující se rodina přirozených aniontů Channelrhodopsinů odhaluje velké rozdíly v kinetice, vodivosti a spektrální citlivosti“. Vědecké zprávy. 7: 43358. doi:10.1038 / srep43358. ISSN 2045-2322. PMC 5335703. PMID 28256618.
- ^ A b C Govorunova, Elena G .; Sineshchekov, Oleg A .; Hemmati, Raheleh; Janz, Roger; Morelle, Olivier; Melkonian, Michael; Wong, Gane K.-S .; Spudich, John L. (01.05.2018). „Prodloužení časové domény umlčování neuronů pomocí kryptofytových aniontových kanálků rhodopsinů“. eNeuro. 5 (3): ENEURO.0174–18.2018. doi:10.1523 / ENEURO.0174-18.2018. ISSN 2373-2822. PMC 6051594. PMID 30027111.
- ^ A b C Kato, Hideaki E .; Kim, Yoon Seok; Paggi, Joseph M .; Evans, Kathryn E .; Allen, William E .; Richardson, Claire; Inoue, Keiichi; Ito, Shota; Ramakrishnan, Charu (2018-08-29). "Strukturální mechanismy selektivity a hradlování v aniontových kanálcích rodopsinech". Příroda. 561 (7723): 349–354. doi:10.1038 / s41586-018-0504-5. ISSN 0028-0836. PMC 6317992. PMID 30158697.
- ^ Kim, Yoon Seok; Kato, Hideaki E .; Yamashita, Keitaro; Ito, Shota; Inoue, Keiichi; Ramakrishnan, Charu; Fenno, Lief E .; Evans, Kathryn E .; Paggi, Joseph M. (2018-08-29). "Krystalová struktura přirozeně aniontově vodivého kanálu rhodopsinu GtACR1". Příroda. 561 (7723): 343–348. doi:10.1038 / s41586-018-0511-6. ISSN 0028-0836. PMC 6340299. PMID 30158696.
- ^ Berndt, Andre; Lee, Soo Yeun; Ramakrishnan, Charu; Deisseroth, Karl (2014-04-25). „Strukturovaná transformace Channelrhodopsinu na chloridový kanál aktivovaný světlem“. Věda. 344 (6182): 420–424. doi:10.1126 / science.1252367. ISSN 0036-8075. PMC 4096039. PMID 24763591.
- ^ A b Berndt, Andre; Lee, Soo Yeun; Wietek, Jonas; Ramakrishnan, Charu; Steinberg, Elizabeth E .; Rashid, Asim J .; Kim, Hoseok; Park, Sungmo; Santoro, Adam (26.01.2016). "Strukturální základy optogenetiky: Determinanty selektivity iontů kanálrhodopsinu". Sborník Národní akademie věd. 113 (4): 822–829. doi:10.1073 / pnas.1523341113. ISSN 0027-8424. PMC 4743797. PMID 26699459.
- ^ Chung, Shinjae; Weber, Franz; Zhong, Peng; Tan, Chan Lek; Nguyen, Thuc Nghi; Beier, Kevin T .; Hörmann, Nikolai; Chang, Wei-Cheng; Zhang, Zhe (2017). „Identifikace preoptických spánkových neuronů pomocí retrográdního značení a genového profilování“. Příroda. 545 (7655): 477–481. doi:10.1038 / příroda22350. PMC 5554302. PMID 28514446.
- ^ A b Mohammad, Farhan; Stewart, James C; Ott, Stanislav; Chlebikova, Katarína; Chua, Jia Yi; Koh, Tong-Wey; Ho, Joses; Claridge-Chang, Adam (2017). "Optogenetická inhibice chování s aniontovými kanály." Přírodní metody. 14 (3): 271–274. doi:10.1038 / nmeth.4148. PMID 28114289. S2CID 4133602.
- ^ A b Mauss, Alex S .; Busch, Christian; Borst, Alexander (23.10.2017). „Optogenetické umlčení neuronů u Drosophily během vizuálního zpracování“. Vědecké zprávy. 7 (1): 13823. doi:10.1038 / s41598-017-14076-7. ISSN 2045-2322. PMC 5653863. PMID 29061981.
- ^ Govorunova, Elena G .; Cunha, Shane R .; Sineshchekov, Oleg A .; Spudich, John L. (2016-09-15). "Anion channelrhodopsins pro inhibiční srdeční optogenetiku". Vědecké zprávy. 6 (1): 33530. doi:10.1038 / srep33530. ISSN 2045-2322. PMC 5024162. PMID 27628215.
- ^ A b Mardinly, Alan R .; Oldenburg, Ian Antón; Pégard, Nicolas C .; Sridharan, Savitha; Lyall, Evan H .; Chesnov, Kirill; Brohawn, Stephen G .; Waller, Laura; Adesnik, Hillel (2018-04-30). „Přesné multimodální optické řízení aktivity nervového souboru“. Přírodní neurovědy. 21 (6): 881–893. doi:10.1038 / s41593-018-0139-8. ISSN 1097-6256. PMC 5970968. PMID 29713079.
- ^ A b Mahn, Mathias; Gibor, Lihi; Malina, Katayun Cohen-Kashi; Patil, Pritish; Printz, Yoav; Oring, Shir; Levy, Rivka; Lampl, Ilan; Yizhar, Ofer (2018). „Vysoce účinné optogenetické umlčování s soma-cílenými aniontově vodivými channelrhodopsiny“. Příroda komunikace. 9 (1): 4125. doi:10.1038 / s41467-018-06511-8. PMC 6175909. PMID 30297821.
- ^ Wietek, Jonas; Broser, Matthias; Krause, Benjamin S .; Hegemann, Peter (2016-02-19). „Identifikace chloridu absorbujícího přírodní zelené světlo, který vede Channelrhodopsin z Proteomonas sulcata“. Journal of Biological Chemistry. 291 (8): 4121–4127. doi:10,1074 / jbc.M115,699637. ISSN 0021-9258. PMC 4759187. PMID 26740624.
- ^ Govorunova, Elena G .; Sineschekov, Oleg A .; Spudich, John L. (01.02.2016). „Proteomonas sulcata ACR1: A Fast Anion Channelrhodopsin“. Fotochemie a fotobiologie. 92 (2): 257–263. doi:10.1111 / php.12558. PMC 4914479. PMID 26686819.
- ^ A b Wietek, Jonas; Rodriguez-Rozada, Silvia; Tutas, Janine; Tenedini, Federico; Grimm, Christiane; Oertner, Thomas G .; Soba, Peter; Hegemann, Peter; Wiegert, J. Simon (listopad 2017). „Anion-vodivé kanály rhodopsiny s vyladěnými spektry a modifikovanou kinetikou vytvořené pro optogenetickou manipulaci chování“. Vědecké zprávy. 7 (1): 14957. doi:10.1038 / s41598-017-14330-r. ISSN 2045-2322. PMC 5668261. PMID 29097684.
- ^ Mahn, Mathias; Prigge, Matthias; Ron, Shiri; Levy, Rivka; Yizhar, Ofer (2016). „Biofyzikální omezení optogenetické inhibice na presynaptických terminálech“. Přírodní neurovědy. 19 (4): 554–556. doi:10.1038 / č. 4266. PMC 4926958. PMID 26950004.
- ^ Wiegert, J. Simon; Mahn, Mathias; Prigge, Matthias; Printz, Yoav; Yizhar, Ofer (2017). „Ztlumení neuronů: nástroje, aplikace a experimentální omezení“. Neuron. 95 (3): 504–529. doi:10.1016 / j.neuron.2017.06.050. PMC 5830081. PMID 28772120.
- ^ Evanko, Daniel (2014). „Neurovědy: Lepší způsob vypínání neuronů“. Přírodní metody. 11 (6): 608. doi:10.1038 / nmeth.2988. S2CID 1699434.
- ^ Berndt, Andre; Deisseroth, Karl (07.08.2015). „Rozšíření sady nástrojů optogenetiky“. Věda. 349 (6248): 590–591. doi:10.1126 / science.aac7889. ISSN 0036-8075. PMC 4776750. PMID 26250674.