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化学遗传学和DREADD

2022.04.19

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科学家如何操纵神经元?| 化学遗传学

科学家如何操纵神经元?| 化学遗传学


大脑分分秒秒都在运作,没人想让它停转。但科学家要研究某个脑区的功能,就必须让该脑区“停转”。大脑行使功能依赖于亿万神经元的放电,停转或失活一个脑区从微观层面上来讲,就是失活脑区内的神经元。

大脑功能依赖于神经元

失活神经元的方法大体可归为两类:可逆和不可逆。如果一种手段只让神经元暂时失活,一段时间后又恢复正常功能,那么这种方法就是可逆的。反之,是不可逆的。

在可逆的技术中,有一种叫化学遗传学。

化学遗传学和DREADD

化学遗传学是化学药物和基因技术结合的产物,泛指通过基因技术改变生物体蛋白质,然后探索突变蛋白和化学药物分子的相互作用。而DREADD是神经科学家最常用的操纵神经元反应的化学遗传学技术。

DREADD全称长且拗口,却清晰地表达了它的含义:人工设计的受体只被人工设计的药物激活,Designer Receptor Exclusively Activated by Designer Drugs,英文简称DREADD。

具体来说,人工设计一种蛋白受体,并通过病毒载体让这种受体在神经元内表达,这种受体只专一地结合特定的人工设计的药物,与之结合后可激活或抑制神经元放电。药物代谢完后,神经元的功能又会恢复。

DREADD原理图。左:内源受体和配体,右:人工突变的受体和药物

人工设计的药物可以通过简单的方式摄入,比如肌肉、静脉、腹腔或皮下注射,甚至口服。药物进入血液,穿过血脑屏障进入脑组织,最终跟人工设计的蛋白受体结合从而起作用。

化学遗传学工作流程

有一种DREADD系统高频出现在神经科学研究中,它就是CNO-hM4Di/hM3Dq系统。

CNO-hM4Di/hM3Dq系统

CNO全称为氯氮平一氧化氮(clozapine N-oxide),是DREADD系统中人工设计的药物。而hM4Di和hM3Dq是人工设计的蛋白受体,是经过突变的人源毒蕈碱型受体。

毒蕈碱型受体是神经递质乙酰胆碱的内源受体,广泛存在于动物体内。毒蕈碱型受体是一种G蛋白偶联受体,当乙酰胆碱和毒蕈碱型受体结合时,受体被激活,构象改变,进一步激活偶联的G蛋白,G蛋白再引发下游反应,最终激活或者抑制神经元。

毒蕈碱型受体是G蛋白藕连受体,M1,M3,M5型受体激活神经元,M2,M4抑制神经元

乙酰胆碱激活还是抑制神经元则取决于毒蕈碱型受体的具体亚型。如果是M4型毒蕈碱型受体,与之偶联的是Gi蛋白,Gi蛋白的后续反应最终会抑制神经元。如果是M3型,招引来的则是Gq蛋白,Gq蛋白的下游反应最终会激活神经元。

为了能精准地激活或抑制神经元,人们将毒蕈碱型受体在特定位点进行突变,突变后毒蕈碱型受体不再结合内源的乙酰胆碱,而专一被人工药物CNO激活,激活之后的下游反应不变。

CNO

突变后的人源M4毒蕈碱型受体称为hM4Di,它跟CNO结合后会抑制神经元。而突变后的M3毒蕈碱型受体称为hM3Dq,它跟CNO结合后会激活神经元。

CNO和hM4Di结合使神经元超极化抑制,和hM3Dq结合使神经元放电

体内机制

长久以来,科学家认为进入体内的CNO穿过血脑屏障作用于神经元,但2017年的一篇《Science》文章改变了人们的看法。

CNO并不能穿过血脑屏障。

科学家将带有放射性元素C11的CNO注射到老鼠体内,然后用正电子发射断层扫描技术(PET)来探测C11在体内的位置。结果发现,小鼠脑内没有一丝C11的星光,也就是说带有C11的CNO并没有进入大脑。

CNO并不能跨越血脑屏障(蓝色中空位置是小鼠大脑)

进一步,科学家牺牲掉小鼠,提取小鼠的血液、外周器官和大脑组织,然后检测放射性同位素C11的踪迹。跟PET检测一样,科学家只在血液和外周器官中发现C11,而脑内一无所获。

这就奇怪了。毕竟,一大摞已发表的文章表明,CNO和hM4Di/hM3Dq的结合可以有效的抑制或兴奋脑内的神经元。

当数据无法得到圆满解释时,科学家便开始提出新的假说。

CNO在生物体内会转化成氯氮平(Clozapine),那是不是氯氮平替CNO完成了使命了呢?

氯氮平(左)和CNO(右)

首先,科学家同样将反射性同位素C11结合到氯氮平上,然后注射到小鼠体内。当PET扫描图像呈现时,科学家发现小鼠脑内亮起了银河。也就是说,氯氮平可以穿过血脑屏障进入大脑。

氯氮平可以穿过血脑屏障进入大脑(黄色部分为小鼠大脑)

如果氯氮平想替CNO完成任务,它也必须能跟hM4Di和hM3Dq结合。科学家将hM4Di在小鼠脑内某个特定位置表达。如果hM4Di对氯氮平有很强的亲和力,那么hM4Di表达的位置也会是氯氮平聚集的位置。在氯氮平注射50分钟后,PET技术和免疫化学染色均在hM4Di表达的位置点亮了聚集的氯氮平,这说明氯氮平确实可以跟hM4Di高亲和力的结合。

氯氮平Clozapine在hM4Di的位置聚集

最后一步要验证结合hM4Di的氯氮平能不能改变动物的行为。首先,科学家将hM4Di表达在小鼠的伏隔核(nucleus accumbens),伏隔核是大脑奖赏通路的一个重要成分,它接收多巴胺中枢VTA的输入。以往的实验表明,如果抑制伏隔核,小鼠会变得蔫不拉几,不爱动。相反,激活伏隔核,小鼠超爱动。

如果氯氮平能跟hM4Di结合并抑制伏隔核内的神经元,那么小鼠的运动量将会显著减少,实验结果也正是如此。

少量的氯氮平(CLZ)即可抑制小鼠的运动

跟CNO相比,在小鼠身上达到同样的行为效果,氯氮平只需要百分之一的量。并且,CNO被摄入体内一段时间后才起作用,而这一延迟正是CNO在体内转变成氯氮平所需的时间。

以上一系列实验表明,CNO在体内转变成氯氮平,然后跟hM4Di结合,抑制神经元反应。

CNO和氯氮平的副作用

高浓度的CNO和氯氮平除了跟hM4Di、hM3Dq结合外,还会跟内源性的配体竞争结合内源性的受体,从而产生副作用。这些内源性受体包括多巴胺D1、D2受体、乙酰胆碱的毒蕈碱M1、M3、M4受体、五羟色胺2A受体等。而副作用在行为上表现通常为动物精神不振、活动减少。

既然CNO和氯氮平有副作用,那么有没有更好的药物可用呢?

去氯氯氮平(DCZ)

2019年,日本科学家Takafumi Minamimoto发现了另外一种药物:去氯氯氮平(简称DCZ)。顾名思义,去掉氯氮平分子中的氯。

左:去氯氯氮平,右:氯氮平

去氯氯氮平和氯氮平结构极其相似,和hM4Di、hM3Dq有更高的亲和力。同时,跟内源性多巴胺受体,乙酰胆碱受体和五羟色胺受体亲和力较弱。也就是说去氯氯氮平的选择性更高,副作用也小,是新一代冉冉升起的明星药物。

在猴脑内,去氯氯氮平(DCZ)跟hM4Di的结合更特异

总结

化学遗传学的方法对动物损伤极小。病毒在脑内表达后,每次实验只需肌肉或静脉注射药物即可抑制或兴奋一个脑区,非常适合进行人体医学的转化。

但化学遗传学也有缺点,时间精度差。药物会连续几个小时起作用,在此期间,神经元一直处于不正常状态。大脑的认知通常变化很快,几秒内甚至一秒内会发生数个认知过程,要分离开这些瞬态且顺序进行的认知过程,迫切需要更快速更灵活的可逆手段。

于是,光遗传技术脱颖而出。