Kemogenetiikan historia

Gpcr: t ovat olleet kemogeneettisten tekniikoiden eturintamassa, ja vuonna 1998 julkaistiin ensimmäinen paperi, jossa esiteltiin vain synteettisiin ligandeihin reagoivia Gpcr: iä. Näitä reseptoreita, joita kutsutaan pelkästään synteettisen ligandin (RASSL) Aktivoimiksi reseptoreiksi, käytettiin onnistuneesti in vivo sydämen toiminnan säätelyyn. Niiden käyttöä neurotieteessä haittaa kuitenkin ligandien farmakologinen aktiivisuus in vivo ja suunniteltujen reseptorien endogeeninen, konstitatiivinen aktiivisuus niiden spesifisen ligandin puuttuessa.

viime aikoina on kehitetty muuntohuumeiden (DREADD) Aktivoimia Designer-reseptoreita. Ensimmäiset näistä olivat mutatoituneita ihmisen muskariinisia asetyylikoliinireseptoreita, joita aktivoivat pelkästään inertit ligandit. Useilla mutageneesi-ja ligandiseulontakierroksilla tunnistettiin klotsapiini-n-oksidiin (CNO, Cat) reagoivaan gq-solunsisäiseen signalointireittiin kytkettyjä muskariinireseptoreita. 4936). Kaikki kolme gq-kytkettyä Dreadia (hM1Dq, hM3Dq ja hM5Dq) aktivoivat neuronaalista aktiivisuutta vastauksena DREADD-ligandin sitoutumiseen. Samassa tutkimuksessa tunnistettiin inhiboivat Dreaddit, hM2Di ja hM4Di, jotka estävät hermosolujen toimintaa vastauksena DREADD ligandien sitoutumiseen. Κ-opioidireseptorista on kehitetty myös inhiboiva DREADD nimeltä KORD, joka estää neuronien toimintaa vastauksena salvinoriini B: lle (SalB, Cat. 5611).

tutkijoiden käytettävissä olevien kemogeneettisten välineiden valikoimaa on viime aikoina laajennettu kehittämällä kimeerisiä ionikanavia, joita kutsutaan farmakologisesti selektiivisiksi Toimijamoduuleiksi (PSAM), joihin farmakologisesti selektiivisiksi Efektorimolekyyleiksi (psem) kutsutut yhdisteet sitovat selektiivisesti.

Kemogenetiikka vs. Optogenetiikka

Kemogeneettiset kokeet edellyttävät geenimuunneltujen reseptorien tai ionikanavien tuomista tietyille aivoalueille virusvektoriekspressiojärjestelmien välityksellä. In vivo ilmentyminen kemogeneettinen reseptori voidaan saavuttaa käyttämällä Adeno-associated virus (AAV) koodaus DREADD tai PSAM, joka sitten ruiskutetaan aivojen alueella. Solutyyppiä, jossa reseptori ilmaistaan, voidaan kontrolloida solutyyppispesifisillä geneettisillä promotoreilla. Esimerkiksi virus DREADD constructs with a CaMKIIa promotor ajaa DREADD expression in neurons, kun taas virus DREADD construct with a GFAP promoottori ajaa DREADD expression in glia.

vastaava neuronien aktiivisuuden modulointitekniikka on optogenetiikka, joka vaatii ligandi-aidatun ionikanavan tai gpcr: n sijaan valoherkän ionikanavan ilmentymistä. Optogeneettisissä tekniikoissa hermosolujen toiminnan aktivointi tai estäminen aloitetaan pienten molekyylien sijaan implantoidulla kuituoptiikalla. Optogenetiikan ja kemogenetiikan keskeiset piirteet on koottu alla olevaan taulukkoon.

ominaisuudet	Kemogenetiikka
interventiomenetelmä	inertti, pienimolekyylinen ligandi, joka on selektiivinen geenimuunnelluille reseptoreille/ionikanaville	valolle herkät ionikanavat, jotka aktivoituvat istutetulla kuituoptiikalla
onko interventio ”fysiologinen”?	Kyllä – käyttää säilyviä, solunsisäisiä signalointireittejä tai muuttaa ionikanavan konduktanssia neuronien aktiivisuuden muuttamiseksi	ei – stimulaatiomallit/inhibitio synkronoidaan keinotekoisesti valon stimulaatiomallin avulla
onko interventio inertti?	Kyllä – reseptorit/ionikanavat eivät ole farmakologisesti aktiivisia ilman ligandeja ja ligandit ovat farmakologisesti inerttejä ilman spesifisiä suunniteltuja reseptoreita/ionikanavia	Ei – kuituoptinen valonlähde voi aiheuttaa lämpöä ja bakteerien valoherkät kanavat voivat olla antigeenisiä
onko tämä menetelmä invasiivinen in vivo?	minimaalisesti ei – ligandeja voidaan antaa intrakerebraalisena infuusiona, vatsaontelonsisäisenä injektiona tai juomavedessä riippuen erityisestä ligandista	Kyllä – luontaisesti invasiivinen kuituoptiikan implantaation vuoksi
tarvitaanko erikoislaitteita?	Ei	kyllä – vaatii implantoitavan kuituoptiikan valonlähteeksi

Tocris DREADD ligandeja käyttävät julkaisut & PSEMs

badimon et al (2020) negative feedback control of neuronal activity by microglia. Luonto 586, 417. PMID: 32999463

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

Leroy et al (2018) virtapiiri hippokampuksen CA2: sta sivusuuntaiseen väliseinään estää sosiaalisen aggression. Nature 564, 213. PMID: 30518859

Nam et al (2019) Astrosyyttisen μ-opioidireseptorin aktivoituminen aiheuttaa Ehdollistuneen paikan suosimisen. Selli Numero 28, 1154. PMID: 31365861

Pina et al (2020) kappa-opioidireseptori moduloi GABA-hermosolun excitability-ja synaptista transmissiota keskiaivojen projektioissa saariaivokuorelta. Neurofarmakologia 165, 107831. PMID: 31870854

Campbell & Marchant (2018) the use of chemogenetics in Behavioral neuroscience: receptor variants, targeting approaches and caveats. Br J Pharmacol 175, 994. PMID: 29338070

Coward et al (1998) ohjaa signalointia erityisesti suunnitellulla Gi-kytketyllä reseptorilla. Proc Natl Acad Sci USA 95, 352. PMID: 9419379

Magnus et al (2011) Chemical and genetic engineering of selective ligand-ion channel interactions. Tiede 333, 1292. PMID: 21885782

Roth (2016) DREADDs for neurotieteilijät. Neuroni 89, 683. PMID: 26889809

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