Cell：重大进展！通过让视紫红质翻转扩大光遗传学工具包

邓文龙

Cell：重大进展！通过让视紫红质翻转扩大光遗传学工具包

2018-10-23 21:37

2018年10月23日/生物谷BIOON/---科学家们已证实使用光敏感蛋白控制单个脑细胞是一种检测大脑复杂性的强有力工具。随着神经科学的这个分支不断扩大，对各种蛋白工具的需求也在增加。

在一项新的研究中，来自美国霍华德休斯医学研究所等研究机构的研究人员发现一种对一类称为视紫红质（rhodopsin）的蛋白进行改造的新方法。通过在细胞膜中翻转这类蛋白，他们能够产生具有不同特性的工具。相关研究结果于2018年10月18日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Expanding the Optogenetics Toolkit by Topological Inversion of Rhodopsins”。论文通信作者为霍华德休斯医学研究所的Joshua Dudman和Alla Karpova。

图片来自Cell,doi:10.1016/j.cell.2018.09.026。

这种技术能够让用于光遗传学（optogenetics）技术---一种用光来操纵神经元活动的技术---中的蛋白数量增加一倍。这些新开发的杂合视紫红质蛋白让这些研究人员能够开展新的实验，有助于分析大脑回路并研究治疗帕金森病背后的神经科学。

迄今为止，科学家们已有两种主要的方法来寻找用于光遗传学技术中的新型蛋白。一种方法是通过基因组挖掘（genome mining）在自然界中发现它们。另一种方法是让蛋白逐渐地发生突变直到它们具有所需的特征。每种方法都具有各自的优点，不过也有其不足之处：不能够提供让神经科学家开展日益精确的实验所需的全部特征。

受到进化的启发，在Jennifer Brown、Reza Behnam、Luke Coddington和Gowan Tervo的领导下，这些研究人员开发出一种对新的视紫红质进行改造的补充技术。除了突变之外，重组---通过基因改组（gene reshuffling）让具有不同功能的蛋白结构域组合在一起---的存在也使得蛋白多样性在自然界中出现。科学家们认为重组对于一小部分蛋白---通过进化，它们在细胞膜中的定向发生变化---的出现是至关重要的。

即便发生翻转的蛋白存在于自然界中，传统观点仍然认为通过改造构建出发生翻转的蛋白几乎是不可能的。蛋白的形状决定着它们在细胞膜上的精确定向，而且当人们试图在实验室中改变它们时，它们通常不能形成功能性的蛋白。

然而，当这些研究人员通过在一种视紫红质的一端添加一种新的蛋白来模拟重组时，它发生了翻转。这真地是出于意料之外的。如果每一个现有的经过改造的或新发现的视紫红质在翻转时都能获得新功能，那么这可能导致用于光遗传学技术中的蛋白工具翻倍。

这些研究人员不仅能够改变蛋白在细胞膜中的定向，而且还能够发现这些新的经过改造的视紫红质具有独特而有用的新功能。其中的一种的称为FLInChR（Full Length Inversion of ChR，ChR的全长翻转）的视紫红质刚开始时起着激活神经元的作用。当发生翻转时，它变成一种强效且快速的抑制剂，可用于开展新的实验。

Dudman说，“我们总是希望创造出新的工具，这样我们就能够做任何我们梦寐以求的实验。能够让工具包多样化是继续推动神经科学向前发展的一个关键因素。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Jennifer Brown, Reza Behnam, Luke Coddington et al. Expanding the Optogenetics Toolkit by Topological Inversion of Rhodopsins. Cell, Published Online: 18 October 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.09.026.

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)31238-8?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867418312388%3Fshowall%3Dtrue

http://news.bioon.com/article/6729044.html