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新型通道视紫红质的应用：分子工程、位点特异性视蛋白靶向、新变异体的发现和光遗传学设计的进展

Ernst Bamberg 教授及其同事开发的来自莱茵衣藻的阳离子通道通道视紫红质 2 (ChR2)及其在光诱导神经元调制中的应用为光遗传学领域铺平了道路。

随着时间的推移，光门控阳离子通道 channelrhodopsin-2 (ChR2) 已成为神经科学中不可或缺的工具。基于对 ChR2 的开创性工作，出现了新的变体，它们在光吸收光谱、动力学特性和电化学响应类型方面有所不同。如今，光敏视蛋白不仅在研究背景下而且在临床方法（包括神经网络，例如眼睛、耳朵、心脏、大脑）中被用于控制神经活动。

技术：

生物物理研究所的科学家开发了 ChR2 的突变体 L132C，它在高频蓝光刺激下显示出出色的尖峰可靠性和以 Ca 2+依赖性方式加速复极化。这种突变体，称为 CatCh，即钙转运Ch annelrhodopsin ，与野生型 ChR2 相比显示四倍的 Ca 2+渗透性和快速尖峰海马神经元的 70 倍光敏感性。CatCh 的优越性能源于增强的 Ca 2+渗透性。增加 [Ca 2+]i 提高内表面电位，促进电压门控 Na+ 通道激活，从而增加光敏性。Ca 2+依赖性大钾通道激活显着加速光刺激后的复极化。因此，由于增加的 Ca 2+通透性和随后对神经元兴奋的影响，CatCh 诱导神经元中的光敏感性增加，反应动力学大大加快。由于其最低的光需求，CatCh 尖峰可以在远离其光谱最大值 474 nm 的地方产生，例如使用绿光促进组织穿透。CatCh 表达水平在许多不同的细胞类型中都非常出色，并且已经在视力恢复的背景下应用于小鼠和猕猴。

概述：

专利信息：

作品信息：

Kleinlogel, S., Feldbauer, K., Dempski, R.等人。使用 Ca 2+ -可渗透通道视紫红质 CatCh 实现超光敏和快速神经元激活。Nat Neurosci 14 , 513–518 (2011)。https://doi.org/10.1038/nn.2776
Nagel, G.、Szellas, T.、Huhn, W.、Kateriya, S.、Adeishvili, N.、Berthold, P.、Ollig, D.、Hegemann, P. 和 Bamberg, E.：Channelrhodopsin-2，直接光门控阳离子选择性膜通道。美国国家科学院院刊，100(24)，13940-13945。(2003)。https://doi.org/10.1073/pnas.1936192100
Chaffiol, A., Caplette, R., Jaillard, C., Brazhnikova, E., Desrosiers, M., Dubus, E., Duhamel, L., Macé, E., Marre, O., Benoit, P., Hantraye, P.、Bemelmans, AP、Bamberg, E.、Duebel, J.、Sahel, JA、Picaud, S. 和 Dalkara, D.：一种新的启动子允许在猕猴视网膜中以增强的灵敏度恢复光遗传学视力。分子疗法，25 (11)，2546-2560。(2017)。https://doi.org/10.1016/j.ymthe.2017.07.011
Macé, E., Caplette, R., Marre, O., Sengupta, A., Chaffiol, A., Barbe, P., Desrosiers, M., Bamberg, E., Sahel, JA, Picaud, S., Duebel , J., & Dalkara, D.：用玻璃体内注射的 AAV 将 channelrhodopsin-2 靶向双极细胞可恢复盲鼠的视觉反应。分子疗法，23 (1)，7-16。(2015)。https://doi.org/10.1038/mt.2014.154

CatCh 举例说明了一种新原理，通过该原理可以设计蓝光门控通道以增加神经元刺激的光敏感性。触发精确和快速动作电位同时需要低光强度激活的关键特性为基因治疗视觉恢复工作和其他生物学应用（例如细胞器中的 Ca 2+依赖性）铺平了道路。

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