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      化學遺傳

      化學遺傳學是指對一些生物大分子實行改造,使其能和先前無法識別的小分子進行相互作用的過程?;瘜W遺傳學和分子遺傳學一樣,均是遺傳學的一個分支,由于其可控的、可逆的(可以隨時加入或除去化合物,從而啟動或中斷特定的反應)特性,已經在信號轉導、藥物開發、功能基因組學等方面的研究中得到了廣泛的應用。

      基本原理

      基于GPCRs改造的化學遺傳學平臺有多種,如基因編碼受體的等位基因特異激活(allele-specific activation of genetically encoded receptors)、只能被合成配體激活的受體(receptors activated solely by synthetic ligands, RASSLs)、基因工程改造的受體(engineered receptors)和只由特定藥物激活的受體(designer receptors exclusively activated by designer drugs,DREADDs)。其中,DREADDs已成為應用最廣泛的化學遺傳學技術,現在有很多由疊氮平-N-氧化物(clozapine-N-oxide,CNO)激活的DREADDs,他們會選擇性地作用于不同的GPCR級聯反應,包括激活Gq、Gi、Gs、Golf和β-arrestin,其中應用最廣泛的是Gq-DREADD和Gi-DREADD。一般來說,如果是想激活神經元,則選擇hM3Dq,如果是想抑制神經元的活性,則選擇hM4Di。

      優勢


      化學遺傳 光遺傳
      分辨率 分鐘級,且CNO作用在神經元上之后
      一般需2小時才能從膜上清除
      高時空分辨率,在神經元調控上其可達到亞毫秒
      和毫秒級,空間精度可達單個細胞級別。且光停止
      瞬間,幾乎就可以停止光刺激帶來的效應
      實驗操作 操作簡單,僅腹腔注射或喂食給藥即可
      與光遺傳相比,無需開顱手術埋置光纖
      操作要求高,需要埋入光纖、
      操作激光控制器和導管等配件
      是否可長期
      操作神經元
      持續給藥是可行的
      適合長期神經元環路調節研究
      由于激光產熱等機械限制,
      長時間處理神經元幾乎不可能實現

      化學遺傳常用病毒工具

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      貨號 載體名稱 啟動子 啟動子表達位置 主要元件 螢光 表達方式
      AAV00101 pAAV-CaMKlla-DIO-hM4D(Gi)-eGFP CaMKlla 谷氨酸能神經元 DIO-hM4D(GI) EGFP Cre誘導表達
      AAV00085 pAAV-EF1a-DIO-hM3D(Gq)-mCherry EF1a 廣譜 DIO-hM3D(Gq) mCherry Cre誘導表達
      AAV00087 pAAV-EF1a-DIO-hM4D(Gi)-mCherry EF1a 廣譜 hM4D(Gi) mCherry 正常表達
      AAV00090 PAAV-GFAP-hM3D(Gq)-mcherry GFAP 星形膠質細胞
      神經干細胞
      hM3D(Gq) mCherry 正常表達
      AAV00088 ; PAAV-GFAP-hM4D(Gi)-mcherry GFAP 星形膠質細胞
      神經干細胞
      hM4D(GI) mCherry 正常表達
      AAV00030 pAAV-hSyn-DIO-hM3D(Gq)-mCherry hSyn 神經元 DIO-hM3D(Gq) mCherry Cre誘導表達
      AAV00071 pAAV-hSyn-DI0-hM3D(Gq)-eGFP hSyn 神經元 DIO-hM3D(Gq) EGFP Cre誘導表達
      AAV00031 pAAV-hSyn-DlO-hM4D(Gi)-mCherry hSyn 神經元 DIO-hM4D(Gi) mCherry Cre誘導表達
      AAV00099 pAAV-hSyn-DIO-hM4D(Gi)-EGFP hSyn 神經元 DIO-hM4D(Gi) EGFP Cre誘導表達
      AAV00096 pAAV-hSyn-HA-hM3D(Gq)-IRES-mCitrine hSyn 神經元 hM3D(Gq) mCitrine 正常表達
      AAV00093 pAAV-hSyn-HA-hM4D(GI)-IRES-mCtrine hSyn 神經元 hM4D(GI) mCitrine 正常表達
      AAV00100 pAAV-hSyn-hM4D(Gi)-mCherry hSyn 神經元 hM4D(GI) mCherry 正常表達


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      如何使用化學遺傳病毒工具進行研究

      如何使用工具病毒進行化學遺傳研究,以DREADDs為例

      1. 選擇合適的DREADDs受體:一般來說,激活神經元選擇hM3Dq,抑制神經元選擇hM4Di
      2. 通過病毒體內注射的方式將將遺傳信息傳遞給靶細胞
      3. CNO給藥并通過控制CNO的給藥時間,控制神經元活動
      4. 受體有效性驗證:采用電極記錄神經元細胞膜內外電壓變化進行DREADDs受體有效性驗證
      5. 動物表型檢測:通過實驗確認激活或抑制神經元活動給實驗動物帶來的影響
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