La historia de la quimogenética
Los GPCR han estado a la vanguardia de las técnicas quimogenéticas, con el primer artículo que describe los GPCR que responden solo a ligandos sintéticos publicado en 1998. Estos receptores, llamados Receptores Activados Únicamente por un Ligando Sintético (RASSL), se utilizaron con éxito in vivo para permitir el control de la actividad cardíaca. Sin embargo, su uso en neurociencia se ve obstaculizado por la actividad farmacológica de los ligandos in vivo, y la actividad constitutiva endógena de los receptores de ingeniería en ausencia de su ligando específico.
Más recientemente, se han desarrollado Receptores de Diseño Activados por Drogas de Diseño (DREADD). Los primeros fueron receptores muscarínicos humanos mutados de acetilcolina activados únicamente por ligandos inertes. Múltiples rondas de detección de mutagénesis y ligandos identificaron receptores muscarínicos acoplados a la vía de señalización intracelular Gq que respondieron al N-óxido de Clozapina (CNO, Cat. Nº 4936). Los tres DREADD acoplados Gq (hM1Dq, hM3Dq y hM5Dq) activan la actividad neuronal en respuesta a la unión de un ligando DREADD. La misma investigación identificó los DREADD inhibitorios, hM2Di y hM4Di, que inhiben la actividad neuronal en respuesta a la unión del ligando DREADD. Un DREADD inhibitorio llamado KORD, también se ha desarrollado a partir del receptor de opioides κ, que inhibe la actividad neuronal en respuesta a la Salvinorina B (SalB, Cat. Nº 5611).
La gama de herramientas quimiogenéticas disponibles para los investigadores se ha ampliado recientemente con el desarrollo de canales iónicos quiméricos, denominados Módulos Actuadores Farmacológicamente Selectivos (PSAM), que se unen selectivamente por compuestos denominados Moléculas Efectoras Farmacológicamente Selectivas (PSEM).
Quimogenética vs Optogenética
Los experimentos quimogenéticos requieren la introducción de receptores o canales iónicos modificados genéticamente en áreas cerebrales específicas, a través de sistemas de expresión de vectores virales. La expresión in vivo de un receptor quimiogenético se puede lograr utilizando un virus Adeno asociado (AAV) que codifica el DREADD o PSAM, que luego se inyecta en la región cerebral. El tipo de célula en el que se expresa el receptor se puede controlar utilizando promotores genéticos específicos de tipo celular. Por ejemplo, las construcciones de DREADD virales con un promotor CaMKIIa impulsarán la expresión de DREADD en las neuronas, mientras que una construcción de DREADD viral con un promotor GFAP impulsará la expresión de DREADD en la glía.
Una técnica similar para la modulación de la actividad neuronal es la optogenética, que requiere la expresión de un canal iónico sensible a la luz, en lugar de un canal iónico dependiente de ligandos o GPCR. En las técnicas optogenéticas, la activación o inhibición de la actividad neuronal se inicia mediante fibra óptica implantada, en lugar de moléculas pequeñas. Las características clave de la optogenética y la quimiogenética se resumen en la siguiente tabla.
| Características | Chemogenetics | la Optogenética |
|---|---|---|
| Método de intervención | Inerte, pequeña molécula de ligandos selectivos para genéticamente receptores o canales iónicos | sensible a la Luz de los canales iónicos activados por implantados fibra óptica |
| Es la intervención ‘fisiológica’? | Sí: utiliza vías de señalización intracelulares conservadas o cambia la conductancia del canal iónico para alterar la actividad neuronal | Los patrones de excitación / inhibición no se sincronizan artificialmente mediante un patrón de estimulación de la luz |
| ¿Es la intervención inerte? | Sí-los receptores / canales iónicos carecen de actividad farmacológica sin ligandos y los ligandos son farmacológicamente inertes sin receptores/canales iónicos diseñados específicamente | No-la fuente de luz de fibra óptica puede crear calor y los canales bacterianos sensibles a la luz utilizados pueden ser antigénicos |
| ¿Es este método invasivo in vivo? | Mínimamente a sin ligandos se pueden administrar mediante infusión intracerebral, inyección intraperitoneal o en agua potable, dependiendo del ligando específico | Sí, inherentemente invasivo debido a la implantación de fibra óptica |
| ¿Se requiere equipo especializado? | No | Sí – requiere fibra óptica implantable como fuente de luz |
Publicaciones destacadas Que utilizan Ligandos DREADD de Tocris & PSEMs
Badimon et al (2020) Control de retroalimentación negativa de la actividad neuronal por microglía. Nature 586, 417. PMID: 32999463
Francois et al (2017) A Brainstem-Spinal Cord Inhibitory Circuit for Mechanical Pain Modulation by GABA and Enkephalins. Neurona 93, 822. PMID: 28162807
Leroy et al (2018) Un circuito desde el CA2 del hipocampo hasta el tabique lateral desinhibe la agresión social. Nature 564, 213. PMID: 30518859
Nam et al (2019) La Activación del Receptor Opioide μ Astrocítico Causa Preferencia de Lugar Condicionada. Rep 28, 1154. PMID: 31365861
Pina et al (2020) El receptor opioide kappa modula la excitabilidad de la neurona GABA y la transmisión sináptica en proyecciones del cerebro medio desde la corteza insular. Neurofarmacología 165, 107831. PMID: 31870854
Campbell & Marchant (2018) El uso de la quimogenética en neurociencia conductual: variantes de receptores, enfoques de orientación y advertencias. Br J Pharmacol 175, 994. PMID: 29338070
Coward et al (1998) Control de la señalización con un receptor acoplado a Gi diseñado específicamente. Proc Natl Acad Sci USA 95, 352. PMID: 9419379
Magnus et al (2011) Ingeniería química y genética de interacciones selectivas del canal ligando-ion. Science 333, 1292. PMID: 21885782
Roth (2016) DREADDs para neurocientíficos. Neurona 89, 683. PMID: 26889809
Sternson & Roth (2014) Chemogenetic tools to interrogate brain functions. Annu Rev Neurol 37, 387. PMID: 25002280
