Geschichte der Chemogenetik

GPCRs haben an der Spitze der chemogenetischen Techniken gewesen, mit dem ersten Papier umreißt GPCRs, die nur auf synthetische Liganden im Jahr 1998 veröffentlicht reagieren. Diese Rezeptoren, sogenannte Rezeptoren, die ausschließlich durch einen synthetischen Liganden (RASSL) aktiviert werden, wurden erfolgreich in vivo verwendet, um die Kontrolle der Herzaktivität zu ermöglichen. Ihre Verwendung in den Neurowissenschaften wird jedoch durch die pharmakologische Aktivität der Liganden in vivo und die endogene, konstitutionelle Aktivität der konstruierten Rezeptoren in Abwesenheit ihres spezifischen Liganden behindert.

In jüngerer Zeit wurden Designer-Rezeptoren entwickelt, die durch Designer-Medikamente (DDD) aktiviert werden. Die ersten davon waren mutierte menschliche Muskarin-Acetylcholinrezeptoren, die ausschließlich durch inerte Liganden aktiviert wurden. Mehrere Mutagenese- und Ligandenscreening-Runden identifizierten Muskarinrezeptoren, die an den Gq-intrazellulären Signalweg gekoppelt waren und auf Clozapin-N-Oxid reagierten (CNO, Kat. 4936). Alle drei Gq-gekoppelten DREADDs (hM1Dq, hM3Dq und hM5Dq) aktivieren die neuronale Aktivität als Reaktion auf die Bindung eines DREADD-Liganden. Die gleiche Forschung identifizierte die hemmenden DREADDs, hM2Di und hM4Di, die die neuronale Aktivität als Reaktion auf die Bindung von DREADD-Liganden hemmen. Aus dem κ-Opioid-Rezeptor, der die neuronale Aktivität als Reaktion auf Salvinorin B (SalB, Kat. 5611).

Die Palette der chemogenetischen Werkzeuge, die Forschern zur Verfügung stehen, wurde kürzlich um die Entwicklung chimärer Ionenkanäle erweitert, die als pharmakologisch selektive Aktuatormodule (PSAMs) bezeichnet werden und selektiv an Verbindungen gebunden sind, die als pharmakologisch selektive Effektormoleküle (PSEMs) bezeichnet werden.

Chemogenetik vs. Optogenetik

Chemogenetische Experimente erfordern die Einführung gentechnisch veränderter Rezeptoren oder Ionenkanäle in bestimmte Hirnareale über virale Vektorexpressionssysteme. In vivo kann die Expression eines chemogenetischen Rezeptors unter Verwendung eines Adeno-assoziierten Virus (AAV), das für PSD oder PSAM kodiert, erreicht werden, das dann in die Hirnregion injiziert wird. Der Zelltyp, in dem der Rezeptor exprimiert wird, kann unter Verwendung zelltypspezifischer genetischer Promotoren gesteuert werden. Zum Beispiel werden virale DREADD-Konstrukte mit einem CaMKIIa-Promotor die DREADD-Expression in Neuronen antreiben, während ein virales DREADD-Konstrukt mit einem GFAP-Promotor die DREADD-Expression in Glia antreibt.Eine ähnliche Technik zur Modulation der neuronalen Aktivität ist die Optogenetik, die die Expression eines lichtempfindlichen Ionenkanals anstelle eines ligandengesteuerten Ionenkanals oder GPCR erfordert. Bei optogenetischen Techniken wird die Aktivierung oder Hemmung der neuronalen Aktivität eher durch implantierte Faseroptiken als durch kleine Moleküle initiiert. Die wichtigsten Merkmale der Optogenetik und Chemogenetik sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Eigenschaften	Chemogenetik	Optogenetik
Methode selektiv für gentechnisch veränderte Rezeptoren/Ionenkanäle	Lichtempfindliche Ionenkanäle, die durch implantierte Faseroptik aktiviert werden
Ist die Intervention ‚physiologisch‘?	Ja – verwendet konservierte, intrazelluläre Signalwege oder ändert die Leitfähigkeit des Ionenkanals, um die neuronale Aktivität zu verändern	Nein – Erregungs- / Hemmungsmuster werden künstlich durch Lichtstimulationsmuster synchronisiert
Ist die Intervention inert?	Ja – Rezeptoren / Ionenkanäle haben keine pharmakologische Aktivität ohne Liganden und Liganden sind pharmakologisch inert ohne spezifisch konstruierte Rezeptoren/Ionenkanäle	Nein – die faseroptische Lichtquelle kann Wärme erzeugen und die verwendeten lichtempfindlichen Kanäle können antigen sein
Ist diese Methode in vivo invasiv?	Minimal bis No – Liganden können durch intrazerebrale Infusion, intraperitoneale Injektion oder in Trinkwasser gegeben werden, abhängig vom spezifischen Liganden	Ja – inhärent invasiv durch Implantation von Faseroptik
Ist eine spezielle Ausrüstung erforderlich?	Nein	Ja – erfordert implantierbare Faseroptik als Lichtquelle

Empfohlene Publikationen mit Tocris 3D-Liganden & PSEMs

Badimon et al (2020) Negative Rückkopplungskontrolle neuronaler Aktivität durch Mikroglia. Natur 586, 417. PMID: 32999463

Francois et al (2017) A Brainstem-Spinal Cord Inhibitory Circuit for Mechanical Pain Modulation by GABA and Enkephalins. Neuron 93, 822. PMID: 28162807

Leroy et al (2018) Eine Schaltung vom Hippocampus CA2 zum lateralen Septum enthemmt die soziale Aggression. Natur 564, 213. PMID: 30518859

Nam et al (2019) Aktivierung des astrozytischen μ-Opioid-Rezeptors verursacht konditionierte Ortspräferenz. Zelle Rep 28, 1154. PMID: 31365861

Pina et al (2020) Der Kappa-Opioidrezeptor moduliert die Erregbarkeit und synaptische Übertragung von GABA-Neuronen in Mittelhirnprojektionen aus dem Inselkortex. Neuropharmakologie 165, 107831. PMID: 31870854

Campbell & Marchant (2018) Die Verwendung der Chemogenetik in der Verhaltensneurowissenschaft: Rezeptorvarianten, Targeting-Ansätze und Vorbehalte. Br J Pharmacol 175, 994. PMID: 29338070

Coward et al (1998) Controlling signaling with a specifically designed Gi-coupled receptor. In: Proc Natl Acad Sci USA 95, 352. PMID: 9419379

Magnus et al (2011) Chemische und genetische Technik selektiver Ligand-Ionenkanal-Wechselwirkungen. Wissenschaft 333, 1292. PMID: 21885782

Roth (2016) DREADDs für Neurowissenschaftler. Neuron 89, 683. PMID: 26889809

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