historie af Kemogenetik

GPCR ‘er har været i spidsen for kemogenetiske teknikker, med det første papir, der beskriver GPCR’ er, der kun reagerer på syntetiske ligander, der blev offentliggjort i 1998. Disse receptorer, navngivne receptorer aktiveret udelukkende af en syntetisk Ligand (RASSL), blev med succes anvendt in vivo for at muliggøre kontrol af hjerteaktivitet. Imidlertid er deres anvendelse i neurovidenskab hæmmet af ligandernes farmakologiske aktivitet in vivo og den endogene, konstitutive aktivitet af de konstruerede receptorer i fravær af deres specifikke ligand.

for nylig er Designerreceptorer aktiveret af Designer Drugs (DREADD) blevet udviklet. Den første af disse var muterede humane muskarinacetylcholinreceptorer aktiveret udelukkende af inerte ligander. Flere runder af mutagenese og ligandscreening identificerede muskarinreceptorer koblet til den intracellulære signalvej, der reagerede på CNO, Cat. 4936). Alle tre Dreadd-koblede Dreadd ‘ er (hm1dk, hm3dk og hm5dk) aktiverer neuronal aktivitet som reaktion på binding af en DREADD-ligand. Den samme forskning identificerede de hæmmende DREADDs, hM2Di og hM4Di, som hæmmer neuronal aktivitet som reaktion på DREADD ligandbinding. En hæmmende DREADD ved navn KORD, er også blevet udviklet fra den oprensede opioidreceptor, som hæmmer neuronal aktivitet som reaktion på Salvinorin B (SalB, Cat. 5611).udvalget af kemogenetiske værktøjer til rådighed for forskere er for nylig blevet udvidet med udviklingen af kimære ionkanaler, betegnet farmakologisk selektive Aktuatormoduler (PSAM ‘er), som er selektivt bundet af forbindelser betegnet farmakologisk selektive Effektormolekyler (psem’ er).

Kemogenetik vs optogenetik

Kemogenetiske eksperimenter kræver introduktion af genetisk konstruerede receptorer eller ionkanaler i specifikke hjerneområder via virale vektorekspressionssystemer. In vivo-ekspression af en kemogenetisk receptor kan opnås ved anvendelse af en Adenoassocieret virus (AAV), der koder for DREADD eller PSAM, som derefter injiceres i hjerneområdet. Den celletype, som receptoren udtrykkes i, kan styres ved hjælp af celletypespecifikke genetiske promotorer. For eksempel vil virale DREADD-konstruktioner med en CaMKIIa-promotor drive DREADD-ekspression i neuroner, mens en viral DREADD-konstruktion med en GFAP-promotor vil drive DREADD-ekspression i glia.

en lignende teknik til modulering af neuronal aktivitet er optogenetik, som kræver ekspression af en lysfølsom ionkanal snarere end en ligand-gated ionkanal eller GPCR. I optogenetiske teknikker initieres aktivering eller inhibering af neuronal aktivitet af implanteret fiberoptik snarere end små molekyler. Nøglefunktionerne i optogenetik og kemogenetik er opsummeret i nedenstående tabel.

funktioner	Kemogenetik	optogenetik
interventionsmetode	inerte, små molekylligander selektive til genetisk konstruerede receptorer/ionkanaler	lysfølsomme ionkanaler aktiveret af implanteret fiberoptik
er interventionen ‘fysiologisk’?	Ja – bruger konserverede, intracellulære signalveje eller ændrer ionkanalens konduktans for at ændre neuronal aktivitet	Nej – eksitationsmønstre/inhibering synkroniseres kunstigt ved lysstimuleringsmønster
er interventionen inert?	Ja – receptorer / ionkanaler mangler farmakologisk aktivitet uden ligander, og ligander er farmakologisk inerte uden specifikke konstruerede receptorer/ionkanaler	Nej – den fiberoptiske lyskilde kan skabe varme og anvendte bakterielle lysfølsomme kanaler kan være antigene
er denne metode invasiv in vivo?	minimalt til no-ligander kan gives ved intracerebral infusion, intraperitoneal injektion eller i drikkevand, afhængig af specifik ligand	Ja – iboende invasiv på grund af implantation af fiberoptik
er specialudstyr påkrævet?	Nej	Ja – kræver implanterbar fiberoptik som lyskilde

udvalgte publikationer ved hjælp af Tocris DREADD ligander& PSEMs

badimon et al (2020) negativ feedback kontrol af neuronal aktivitet ved mikroglia. Natur 586, 417. PMID: 32999463

Francois et al (2017) et hjernestamme-Rygmarvshæmmende kredsløb til mekanisk Smertemodulation af GABA og enkephaliner. Neuron 93, 822. PMID: 28162807

Leroy et al (2018) et kredsløb fra hippocampal CA2 til lateral septum hæmmer social aggression. Natur 564, 213. PMID: 30518859

Nam et al (2019) aktivering af Astrocytisk relay-opioidreceptor forårsager konditioneret Stedpræference. Cell Rep 28, 1154. PMID: 31365861

Pina et al (2020) kappa-opioidreceptoren modulerer GABA-neuron-ophidselse og synaptisk transmission i mellemhjernen-fremspring fra den isolerede hjernebark. Neurofarmakologi 165, 107831. PMID: 31870854

Campbell& Marchant (2018) brugen af kemogenetik i adfærdsmæssig neurovidenskab: receptorvarianter, målretningsmetoder og advarsler. Br J Pharmacol 175, 994. PMID: 29338070

kujon et al (1998) styring af signalering med en specielt designet Gi-koblet receptor. Proc Natl Acad sci USA 95, 352. PMID: 9419379

Magnus et al (2011) kemisk og genteknologi af selektive ligand-ionkanalinteraktioner. Videnskab 333, 1292. PMID: 21885782

Roth (2016) dreads for neurovidenskabere. Neuron 89, 683. PMID: 26889809

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