Historie Chemogenetics

GPCRs byly v popředí chemogenetic techniky, s první dokument, který nastiňuje GPCRs, které reagují pouze na syntetické ligandy zveřejněna v roce 1998. Tyto receptory, pojmenované receptory aktivované výhradně syntetickým ligandem (RASSL), byly úspěšně použity in vivo k umožnění kontroly srdeční aktivity. Jejich použití v neurovědách je však omezeno farmakologickou aktivitou ligand in vivo a endogenní konstitutivní aktivitou upravených receptorů v nepřítomnosti jejich specifického ligandu.

nedávno byly vyvinuty návrhářské receptory aktivované značkovými léky (DREADD). První z nich byly mutované lidské muskarinové acetylcholinové receptory aktivované výhradně inertními ligandy. Více kol mutageneze a ligand screening identifikovány muskarinové receptory spřažené s Gq intracelulární signální dráhy, které reagovalo na Klozapin N-oxid (CNO, Kat. Č. 4936). Všechny tři GQ Spojené Dreaddy (hM1Dq, hM3Dq a hM5Dq) aktivují neuronální aktivitu v reakci na vazbu DREADDOVA ligandu. Stejný výzkum identifikoval inhibiční Dreaddy, hM2Di a hM4Di, které inhibují neuronální aktivitu v reakci na vazbu DREADD ligandu. Inhibiční DREADD jménem KORD, byl vyvinut také z κ-opioidní receptor, který inhibuje neuronální aktivitu v reakci na Salvinorin B (SalB, Kat. Č. 5611).

rozsah chemogenetic nástroje k dispozici, aby vědci nedávno rozšířila s rozvojem chimerická iontové kanály, nazývané Farmakologicky Selektivní Ovladače Moduly (PSAMs), které jsou selektivně vázány sloučeniny nazývané Farmakologicky Selektivní Efektorové Molekuly (PSEMs).

Chemogenetics vs Optogenetika

Chemogenetic experimenty vyžadují zavedení geneticky modifikovaných receptory nebo iontové kanály do specifické oblasti mozku, které se pomocí virových vektorů výraz systémů. In vivo výraz chemogenetic receptor může být dosaženo pomocí například Adeno-asociovaný virus (AAV) kódování DREADD nebo PSAM, který je pak vstřikován do oblasti mozku. Buněčný typ, ve kterém je receptor exprimován, může být řízen pomocí genetických promotorů specifických pro buněčný typ. Například, virové DREADD konstrukce s CaMKIIa promotor bude řídit DREADD exprese v neuronech, zatímco virové DREADD postavit s GFAP pořadatel bude řídit DREADD výraz v glií.

podobnou techniku pro modulaci neuronální aktivity je optogenetika, která vyžaduje vyjádření světlo-citlivý iontový kanál, spíše než ligand-gated ion channel nebo GPCR. V optogenetických technikách je aktivace nebo inhibice neuronální aktivity iniciována implantovanou optickou optikou spíše než malými molekulami. Klíčové rysy optogenetiky a chemogenetiky jsou shrnuty v následující tabulce.

Funkce	Chemogenetics	Optogenetika
Metoda intervence	Inertní, malá molekula, selektivní ligandy pro geneticky upravené receptory/iontové kanály	Světlo-citlivé iontové kanály aktivované implantované vláken optika
Je zásah ‚fyziologické‘?	Ano – použití zachovány, intracelulární signální dráhy, nebo změny iontový kanál, vodivost, změnit činnost neuronů	Ne – vzory excitace/inhibice jsou uměle synchronizovány pomocí světelné stimulace vzor
Je inertní zásah?	Ano – receptory/iontové kanály nemají farmakologickou aktivitu bez ligandů a ligandů jsou farmakologicky inertní, bez konkrétní inženýrství receptory/iontové kanály	Ne – optický zdroj světla, můžete vytvořit teplo a bakteriální světlo-citlivé použitých kanálů může být antigenní
Je tato metoda invazivní in vivo?	Minimálně na ne – ligandy může být dána tím, intracerebrální infuze, intraperitoneální injekci nebo v pitné vodě, závisí na konkrétním ligandu	Ano – ve své podstatě invazivní vzhledem k implantaci optických vláken
Je specializované zařízení potřebné?	Ne	Ano – vyžaduje, aby implantabilní optická vlákna jako zdroj světla

Doporučené Publikace Pomocí Tocris DREADD Ligandy & PSEMs

Badimon et al (2020) Negativní zpětnou vazbu, kontrolu neuronální aktivitu mikroglie. Nature 586, 417. PMID: 32999463

Francois et al (2017) inhibiční obvod mozkového kmene a míchy pro mechanickou modulaci bolesti GABA a enkefaliny. Neuron 93, 822. PMID: 28162807

Leroy et al (2018) obvod z hipokampu CA2 do laterálního septa znemožňuje sociální agresi. Nature 564, 213. PMID: 30518859

Nam et al (2019) Aktivace Astrocytic μ-Opioidních Receptorů, Způsobuje Podmíněnou Preferenci Místa. Cell Rep 28, 1154. PMID: 31365861

Pina et al (2020) opioidní receptor kappa moduluje excitabilitu neuronů GABA a synaptický přenos v projekcích středního mozku z ostrovní kůry. Neurofarmakologie 165, 107831. PMID: 31870854

Campbell & Marchant (2018) použití chemogenetiky v behaviorální neurovědě: varianty receptorů, přístupy cílení a námitky. Brunclík 175, 994. PMID: 29338070

Coward et al (1998) ovládání signalizace pomocí speciálně navrženého receptoru spřaženého s Gi. Prokešová 95, 352. PMID: 9419379

Magnus et al (2011) chemické a genetické inženýrství selektivních interakcí ligand-iontový kanál. Věda 333, 1292. PMID: 21885782

Roth (2016) se bojí neurovědců. Neuron 89, 683. PMID: 26889809

Sternson & Roth (2014) Chemogenetic tools to interrogate brain functions. Annu Rev Neurol 37, 387. PMID: 25002280