Histoire de la chimiogénétique

Les RCPG ont été à l’avant-garde des techniques chimiogénétiques, avec le premier article décrivant les RCPG qui répondent uniquement aux ligands synthétiques publié en 1998. Ces récepteurs, appelés Récepteurs Activés Uniquement par un Ligand synthétique (RASSL), ont été utilisés avec succès in vivo pour permettre le contrôle de l’activité cardiaque. Cependant, leur utilisation en neurosciences est entravée par l’activité pharmacologique des ligands in vivo et l’activité constitutive endogène des récepteurs modifiés en l’absence de leur ligand spécifique.

Plus récemment, des Récepteurs de Concepteur activés par des Médicaments de concepteur (DREADD) ont été développés. Les premiers d’entre eux étaient des récepteurs muscariniques de l’acétylcholine humains mutés activés uniquement par des ligands inertes. Plusieurs cycles de mutagenèse et de criblage de ligands ont identifié des récepteurs muscariniques couplés à la voie de signalisation intracellulaire Gq qui répondaient au N-oxyde de Clozapine (CNO, Cat. N° 4936). Les trois DREADDs couplées Gq (hM1Dq, hM3Dq et hM5Dq) activent l’activité neuronale en réponse à la liaison d’un ligand DREADD. La même recherche a identifié les DREADDs inhibitrices, hM2Di et hM4Di, qui inhibent l’activité neuronale en réponse à la liaison du ligand DREADD. Un DREADD inhibiteur nommé KORD, a également été développé à partir du récepteur κ-opioïde, qui inhibe l’activité neuronale en réponse à la Salvinorine B (SalB, Cat. N° 5611).

La gamme d’outils chimiogénétiques à la disposition des chercheurs a récemment été élargie avec le développement de canaux ioniques chimériques, appelés Modules Actionneurs Pharmacologiquement Sélectifs (PSAMs), qui sont liés sélectivement par des composés appelés Molécules Effectrices Pharmacologiquement Sélectives (PSEMs).

Chimiogénétique vs optogénétique

Les expériences chimiogénétiques nécessitent l’introduction de récepteurs génétiquement modifiés ou de canaux ioniques dans des zones cérébrales spécifiques, via des systèmes d’expression de vecteurs viraux. L’expression in vivo d’un récepteur chimiogénétique peut être obtenue à l’aide d’un virus adéno-associé (AAV) codant pour le DREADD ou le PSAM, qui est ensuite injecté dans la région du cerveau. Le type cellulaire dans lequel le récepteur est exprimé peut être contrôlé à l’aide de promoteurs génétiques spécifiques au type cellulaire. Par exemple, les constructions de DREADD virales avec un promoteur de CaMKIIa stimuleront l’expression de DREADD dans les neurones, tandis qu’une construction de DREADD virale avec un promoteur GFAP stimulera l’expression de DREADD dans la glie.

Une technique similaire de modulation de l’activité neuronale est l’optogénétique, qui nécessite l’expression d’un canal ionique sensible à la lumière, plutôt que d’un canal ionique ligand-gated ou GPCR. Dans les techniques optogénétiques, l’activation ou l’inhibition de l’activité neuronale est initiée par des fibres optiques implantées, plutôt que par de petites molécules. Les principales caractéristiques de l’optogénétique et de la chimiogénétique sont résumées dans le tableau ci-dessous.

Caractéristiques	Chimiogénétique	Optogénétique
Méthode d’intervention	Ligands inertes à petites molécules sélectifs pour les récepteurs/canaux ioniques génétiquement modifiés	Canaux ioniques sensibles à la lumière activés par des fibres optiques implantées
L’intervention est-elle « physiologique »?	Oui – utilise des voies de signalisation intracellulaires conservées ou modifie la conductance du canal ionique pour modifier l’activité neuronale	Non – les schémas d’excitation / inhibition sont synchronisés artificiellement par le schéma de stimulation lumineuse
L’intervention est-elle inerte?	Oui – les récepteurs / canaux ioniques manquent d’activité pharmacologique sans ligands et les ligands sont pharmacologiquement inertes sans récepteurs / canaux ioniques spécifiques	Non – la source de lumière à fibre optique peut créer de la chaleur et les canaux sensibles à la lumière bactérienne utilisés peuvent être antigéniques
Cette méthode est-elle invasive in vivo?	De façon minimale à nulle – les ligands peuvent être administrés par perfusion intracérébrale, par injection intrapéritonéale ou dans de l’eau potable, en fonction d’un ligand spécifique	Oui – intrinsèquement invasif en raison de l’implantation de fibres optiques
Un équipement spécialisé est-il nécessaire?	Non	Oui – nécessite une fibre optique implantable comme source lumineuse

Publications en vedette Utilisant Les ligands Tocris DREADD& PSEMs

Badimon et al (2020) Contrôle par rétroaction négative de l’activité neuronale par microglie. Nature 586, 417. PMID:32999463

François et al (2017) Un Circuit Inhibiteur du Tronc Cérébral-Moelle Épinière pour la Modulation Mécanique de la Douleur par GABA et Enképhalines. Neurone 93, 822. PMID: 28162807

Leroy et al (2018)Un circuit du CA2 de l’hippocampe au septum latéral désinhibe l’agression sociale. Nature 564, 213. PMID: 30518859

Nam et al (2019) L’activation du récepteur Astrocytaire μ-Opioïde Provoque une Préférence de Place Conditionnée. Cellule Rep 28, 1154. PMID:31365861

Pina et al (2020) Le récepteur opioïde kappa module l’excitabilité des neurones GABA et la transmission synaptique dans les projections du mésencéphale à partir du cortex insulaire. Neuropharmacologie 165, 107831. PMID: 31870854

Campbell &Marchant (2018)L’utilisation de la chimiogénétique en neurosciences comportementales: variantes des récepteurs, approches de ciblage et mises en garde. Br J Pharmacol 175, 994. PMID: 29338070

Coward et al (1998) contrôlant la signalisation avec un récepteur couplé à un Gi spécialement conçu. Proc Natl Acad Sci États-Unis 95, 352. PMID: 9419379

Magnus et al (2011) Génie chimique et génétique des interactions sélectives des canaux ligand-ion. Science 333, 1292. PMID: 21885782

Roth (2016) DREADDs pour les neuroscientifiques. Neurone 89, 683. PMID: 26889809

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