Storia della chemogenetica

I GPCR sono stati all’avanguardia nelle tecniche chemogenetiche, con il primo documento che delinea i GPCR che rispondono solo ai ligandi sintetici pubblicato nel 1998. Questi recettori, chiamati recettori attivati esclusivamente da un ligando sintetico (RASSL), sono stati utilizzati con successo in vivo per consentire il controllo dell’attività cardiaca. Tuttavia, il loro uso nelle neuroscienze è ostacolato dall’attività farmacologica dei ligandi in vivo e dall’attività endogena e costitutiva dei recettori ingegnerizzati in assenza del loro ligando specifico.

Più recentemente, sono stati sviluppati recettori Designer attivati da farmaci Designer (DREADD). I primi di questi erano recettori muscarinici umani mutati dell’acetilcolina attivati esclusivamente dai ligandi inerti. Cicli multipli di mutagenesi e screening del ligando hanno identificato i recettori muscarinici accoppiati alla via di segnalazione intracellulare Gq che ha risposto all’N-ossido di clozapina (CNO, Cat. N. 4936). Tutti e tre i DREADD accoppiati Gq (hM1Dq, hM3Dq e hM5Dq) attivano l’attività neuronale in risposta al legame di un legante DREADD. La stessa ricerca ha identificato i DREADDs inibitori, hM2Di e hM4Di, che inibiscono l’attività neuronale in risposta al legame del legante DREADD. Un DREADD inibitorio chiamato KORD, è stato sviluppato anche dal recettore κ-oppioide, che inibisce l’attività neuronale in risposta alla Salvinorina B (SalB, Cat. N. 5611).

La gamma di strumenti chemogenetici a disposizione dei ricercatori è stata recentemente ampliata con lo sviluppo di canali ionici chimerici, chiamati Moduli attuatori farmacologicamente selettivi (PSAM), che sono selettivamente legati da composti chiamati molecole Effettrici farmacologicamente selettivi (PSEM).

Chemogenetica vs Optogenetica

Gli esperimenti chemogenetici richiedono l’introduzione di recettori o canali ionici geneticamente modificati in specifiche aree cerebrali, tramite sistemi di espressione vettoriale virale. L’espressione in vivo di un recettore chemogenetico può essere ottenuta utilizzando un virus adeno-associato (AAV) che codifica il DREADD o PSAM, che viene quindi iniettato nella regione del cervello. Il tipo di cellula in cui il recettore è espresso può essere controllato utilizzando promotori genetici specifici di tipo cellulare. Ad esempio, i costrutti di DREADD virali con un promotore CaMKIIa guideranno l’espressione di DREADD nei neuroni, mentre un costrutto di DREADD virale con un promotore GFAP guideranno l’espressione di DREADD in glia.

Una tecnica simile per la modulazione dell’attività neuronale è l’optogenetica, che richiede l’espressione di un canale ionico sensibile alla luce, piuttosto che di un canale ionico ligando-gated o GPCR. Nelle tecniche optogenetiche, l’attivazione o l’inibizione dell’attività neuronale viene avviata da fibre ottiche impiantate, piuttosto che da piccole molecole. Le caratteristiche principali di optogenetics e chemogenetics sono riassunte nella tabella seguente.

Caratteristiche	Chemogenetics	Optogenetics
Metodo di intervento	Inerte, piccola molecola di ligandi selettivi per organismi geneticamente recettori/canali ionici	sensibili alla Luce, i canali ionici attivati da impiantati in fibra ottica
È l’intervento “fisiologico”?	Sì-utilizza vie di segnalazione intracellulari conservate o cambia la conduttanza del canale ionico, per alterare l’attività neuronale	No-i pattern di eccitazione / inibizione sono sincronizzati artificialmente dal pattern di stimolazione della luce
L’intervento è inerte?	Sì – i recettori/canali ionici mancano di attività farmacologica senza ligandi e i ligandi sono farmacologicamente inerti senza specifici recettori/canali ionici ingegnerizzati	No – la sorgente luminosa in fibra ottica può creare calore e i canali batterici sensibili alla luce utilizzati possono essere antigenici
Questo metodo è invasivo in vivo?	Minimamente a no – ligandi può essere dato da infusione intracerebrale, iniezione intraperitoneale o in acqua potabile, dipendente da ligando specifico	Sì-intrinsecamente invasiva a causa dell’impianto di fibre ottiche
È necessaria un’attrezzatura specializzata?	No	Sì – richiede impiantabili fibra ottica come fonte di luce

primo piano Pubblicazioni Utilizzando Tocris DREADD Ligandi & PSEMs

Badimon et al (2020) il controllo di feedback Negativo dell’attività neuronale di microglia. Natura 586, 417. PMID: 32999463

Francois et al (2017) Un circuito inibitorio del tronco cerebrale-midollo spinale per la modulazione meccanica del dolore da parte di GABA e encefaline. Neurone 93, 822. PMID: 28162807

Leroy et al (2018) Un circuito dall’ippocampo CA2 al setto laterale disinibisce l’aggressione sociale. Natura 564, 213. PMID: 30518859

Nam et al (2019) L’attivazione del recettore μ-oppioide astrocitico causa la preferenza del posto condizionato. Cella 28, 1154. PMID: 31365861

Pina et al (2020) Il recettore oppioide kappa modula l’eccitabilità del neurone GABA e la trasmissione sinaptica nelle proiezioni del mesencefalo dalla corteccia insulare. Neurofarmacologia 165, 107831. PMID: 31870854

Campbell & Marchant (2018) L’uso della chemogenetica nelle neuroscienze comportamentali: varianti del recettore, approcci di targeting e avvertimenti. Br J Pharmacol 175, 994. PMID: 29338070

Coward et al (1998) Controllo della segnalazione con un recettore Gi-accoppiato specificamente progettato. Proc Natl Acad Sci USA 95, 352. PMID: 9419379

Magnus et al (2011) Ingegneria chimica e genetica delle interazioni selettive ligando-canale ionico. Scienza 333, 1292. PMID: 21885782

Roth (2016) DREADDs per neuroscienziati. Neurone 89, 683. PMID: 26889809

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