geschiedenis van Chemogenetica

GPCR ’s hebben een voortrekkersrol gespeeld in chemogenetische technieken, met de eerste paper waarin GPCR’ s worden beschreven die alleen reageren op synthetische liganden, gepubliceerd in 1998. Deze receptoren, genoemd receptoren die uitsluitend door synthetische Ligand (RASSL) worden geactiveerd, werden met succes in vivo gebruikt om controle van hartactiviteit toe te laten. Nochtans, wordt hun gebruik in neurowetenschappen belemmerd door de farmacologische activiteit van de ligands in vivo, en de endogene, constitutieve activiteit van de gebouwde receptoren in afwezigheid van hun specifieke ligand.

meer recentelijk zijn door Designer Drugs (Dreadd) geactiveerde receptoren ontwikkeld. De eerste waren gemuteerde humane muscarine acetylcholine receptoren die uitsluitend door inerte liganden werden geactiveerd. Meerdere rondes van mutagenese en ligandscreening identificeerden muscarinereceptoren gekoppeld aan de intracellulaire signaalweg van GQ die reageerde op Clozapine N-oxide (CNO, Cat. 4936). Alle drie GQ gekoppelde DREADDs (hM1Dq, hM3Dq en hM5Dq) activeren neuronale activiteit als reactie op binding van een DREADD ligand. Het zelfde onderzoek identificeerde inhibitory DREADDs, hM2Di en hM4Di, die neuronale activiteit in reactie op DREADD ligand band remmen. Een remmende DREADD genaamd KORD, is ook ontwikkeld uit de κ-opioïdreceptor, die de neuronale activiteit remt in reactie op Salvinorin B (SalB, Cat. 5611).

het gamma van chemogenetische hulpmiddelen dat beschikbaar is voor onderzoekers is onlangs uitgebreid met de ontwikkeling van chimerische ionenkanalen, farmacologisch selectieve Actuatormodules (PSAMs) genoemd, die selectief gebonden zijn door verbindingen die farmacologisch selectieve Effectormoleculen (Psems) genoemd worden.

Chemogenetica vs optogenetica

Chemogenetische experimenten vereisen de introductie van genetisch gemanipuleerde receptoren of ionenkanalen in specifieke hersengebieden, via virale vectorexpressiesystemen. In vivo kan de uitdrukking van een chemogenetic receptor worden bereikt gebruikend een adeno-geassocieerd virus (AAV) dat DREADD of PSAM codeert, dat dan in het hersenengebied wordt ingespoten. Het celtype waarin de receptor wordt uitgedrukt, kan worden gecontroleerd met behulp van cel-type specifieke genetische promotoren. Bijvoorbeeld, virale DREADD construeert met een camkiia promotor zal rijden DREADD expressie in neuronen, terwijl een virale DREADD construct met een GFAP promotor zal rijden DREADD expressie in glia.

een soortgelijke techniek voor modulatie van neuronale activiteit is optogenetica, die de expressie van een lichtgevoelig ionenkanaal vereist, in plaats van een ligand-gated ionenkanaal of GPCR. In optogenetic technieken, wordt de activering of remming van neuronale activiteit geïnitieerd door geïmplanteerde vezeloptica, eerder dan kleine molecules. De belangrijkste eigenschappen van optogenetica en chemogenetica zijn samengevat in de onderstaande tabel.

Kenmerken	Chemogenetics	Optogenetics
Methode van interventie	Inert, klein molecuul liganden selectief voor genetisch gemanipuleerde receptoren/ion-kanalen	Licht-gevoelige ionenkanalen geactiveerd door geïmplanteerd glasvezel
Is de interventie ‘fysiologische’?	Ja – gebruikt geconserveerde intracellulaire signaalwegen, of verandert de geleidbaarheid van het ionenkanaal, om de neuronale activiteit te veranderen	Nee-excitatiepatronen / inhibitie worden kunstmatig gesynchroniseerd door lichtstimulatiepatroon
Is de interventie inert?	Ja-receptoren / ionenkanalen hebben geen farmacologische activiteit zonder liganden en liganden zijn farmacologisch inert zonder specifieke gemanipuleerde receptoren/ionenkanalen	Nee-De glasvezel lichtbron kan warmte creëren en gebruikte bacteriële lichtgevoelige kanalen kunnen antigeen zijn
is deze methode invasief in vivo?	minimaal aan geen-liganden kan worden gegeven door intracerebrale infusie, Intraperitoneale injectie of in drinkwater, afhankelijk van specifieke ligand	Ja – inherent invasief door implantatie van glasvezel
Is gespecialiseerde apparatuur vereist?	Nee	Ja – vereist implanteerbare glasvezel als lichtbron

Uitgelichte publicaties met Tocris DREADD Ligands & PSEMs

Badimon et al (2020) negatieve feedback controle van neuronale activiteit door microglia. Nature 586, 417. PMID: 32999463

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

Leroy et al (2018) a circuit from hippocampal CA2 to laterale septum disinhibits social aggression. Nature 564, 213. PMID: 30518859

Nam et al (2019)activering van astrocytische μ-Opioïdreceptor veroorzaakt geconditioneerde Plaatsvoorkeur. Cel Rapport 28, 1154. PMID: 31365861

Pina et al (2020) de kappa opioïdreceptor moduleert GABA neuron exciteerbaarheid en synaptische transmissie in middenhersenen-projecties vanuit de insulaire cortex. Neuropharmacology 165, 107831. PMID: 31870854

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

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

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

Roth (2016) DREADDs for neurowetenschappers. Neuron 89, 683. PMID: 26889809

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