Historia Chemogenetyki

GPCRs były w czołówce technik chemogenetycznych, z pierwszym artykułem opisującym GPCRs, które reagują tylko na syntetyczne ligandy opublikowane w 1998. Receptory te, nazwane receptorami aktywowanymi wyłącznie przez syntetyczny Ligand (RASSL), były z powodzeniem stosowane in vivo w celu umożliwienia kontroli aktywności serca. Jednak ich zastosowanie w neuronauce jest utrudnione przez farmakologiczną aktywność ligandów in vivo i endogenną, konstytutywną aktywność zmodyfikowanych receptorów w przypadku braku ich specyficznego ligandu.

Ostatnio opracowano projektowane receptory aktywowane przez designerskie leki (DREADD). Pierwszym z nich były zmutowane ludzkie receptory acetylocholiny muskarynowej aktywowane wyłącznie przez obojętne ligandy. W wielu rundach mutagenezy i badań przesiewowych ligandów zidentyfikowano receptory muskarynowe sprzężone z wewnątrzkomórkowym szlakiem sygnałowym Gq, które zareagowały na N-tlenek klozapiny (CNO, Cat. Nr 4936). Wszystkie trzy Dreddy sprzężone z Gq (hM1Dq, hM3Dq i hM5Dq) aktywują aktywność neuronalną w odpowiedzi na Wiązanie ligandu DREADD. Te same badania zidentyfikowały hamujące Dreaddy, hM2Di i hM4Di, które hamują aktywność neuronalną w odpowiedzi na Wiązanie ligandów DREADDA. Z receptora κ-opioidowego, który hamuje aktywność neuronalną w odpowiedzi na Salwinorynę B (SalB, Cat. Nr 5611).

zakres narzędzi chemogenetycznych dostępnych dla naukowców został ostatnio poszerzony o rozwój chimerycznych kanałów jonowych, zwanych farmakologicznie selektywnymi modułami napędowymi (PSAMs), które są selektywnie wiązane przez związki określane jako farmakologicznie selektywne cząsteczki efektorowe (PSEMs).

Chemogenetyka vs optogenetyka

eksperymenty Chemogenetyczne wymagają wprowadzenia genetycznie zmodyfikowanych receptorów lub kanałów jonowych do określonych obszarów mózgu, za pośrednictwem wirusowych systemów ekspresji wektorów. Ekspresję receptora chemogenetycznego In vivo można osiągnąć za pomocą wirusa związanego z Adenem (AAV) kodującego DREADD lub PSAM, który jest następnie wstrzykiwany do regionu mózgu. Typ komórkowy, w którym receptor jest wyrażany, może być kontrolowany za pomocą specyficznych promotorów genetycznych typu komórkowego. Na przykład wirusowe konstrukcje DREADD z promotorem CaMKIIa będą napędzać ekspresję DREADD w neuronach, podczas gdy wirusowe konstrukcje DREADD z promotorem GFAP będą napędzać ekspresję DREADD w glia.

podobną techniką modulacji aktywności neuronalnej jest optogenetyka, która wymaga ekspresji światłoczułego kanału jonowego, a nie kanału jonowego bramkowanego ligandem lub GPCR. W technikach optogenetycznych aktywacja lub hamowanie aktywności neuronalnej jest inicjowane przez wszczepione światłowody, a nie małe cząsteczki. Kluczowe cechy optogenetyki i chemogenetyki podsumowano w poniższej tabeli.

cechy	Chemogenetyka	optogenetyka
metoda interwencji	obojętne, małocząsteczkowe ligandy selektywne dla genetycznie zmodyfikowanych receptorów/kanałów jonowych	światłoczułe kanały jonowe aktywowane przez wszczepione Światłowody
czy interwencja jest „fizjologiczna”?	tak – wykorzystuje zachowane, wewnątrzkomórkowe szlaki sygnałowe lub zmienia przewodnictwo kanału jonowego, aby zmienić aktywność neuronów	Nie – wzorce wzbudzenia/hamowania są sztucznie synchronizowane przez wzór stymulacji światłem
czy interwencja jest obojętna?	tak – receptory/kanały jonowe nie mają aktywności farmakologicznej bez ligandów, a ligandy są farmakologicznie obojętne bez specyficznych receptorów/kanały jonowe	Nie – światłowodowe źródło światła może wytwarzać ciepło, a bakteryjne kanały światłoczułe mogą być antygenowe
czy ta metoda jest inwazyjna in vivo?	minimalnie do no-ligandy mogą być podawane w infuzji śródmózgowej, iniekcji dootrzewnowej lub w wodzie pitnej, w zależności od konkretnego ligandu	tak – z natury inwazyjne z powodu implantacji światłowodów
czy wymagany jest specjalistyczny sprzęt?	Nie	tak – wymaga wszczepialnego światłowodu jako źródła światła

Polecane publikacje wykorzystujące ligandy TOCRIS DREADD & PSEMs

badimon et al (2020) Kontrola negatywnego sprzężenia zwrotnego aktywności neuronów przez mikroglej. Natura 586, 417. PMID: 32999463

Francois et al (2017) Obwód hamujący pnia mózgu i rdzenia kręgowego do mechanicznej modulacji bólu przez GABA i enkefaliny. Neuron 93, 822. PMID: 28162807

Leroy et al (2018) obwód od hipokampu CA2 do przegrody bocznej odhamowuje agresję społeczną. Natura 564, 213. PMID: 30518859

Nam et al (2019) Aktywacja Astrocytowego receptora μ-opioidowego powoduje uwarunkowaną preferencję miejsca. / Align = „Left” / 281154 PMID: 31365861

Pina et al (2020) receptor opioidowy kappa moduluje pobudliwość neuronów GABA i transmisję synaptyczną w projekcjach śródmózgowia z kory wyspiarskiej. / Neurofarmakologia / / 165 / / 107831 PMID: 31870854

Campbell & Marchant (2018) Zastosowanie chemogenetyki w neuronauce behawioralnej: warianty receptorów, podejścia celujące i zastrzeżenia. Br J Pharmacol 175, 994. PMID: 29338070

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

Magnus i wsp. (2011) Inżynieria Chemiczna i genetyczna selektywnych interakcji kanału ligandowo-jonowego. Nauka 333, 1292. PMID: 21885782

Neuron 89, 683. PMID: 26889809

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