History of Chemogenetics
GPCR-urile au fost în fruntea tehnicilor chemogenetice, prima lucrare prezentând GPCR-urile care răspund doar la liganzi sintetici publicată în 1998. Acești receptori, numiți receptori activați exclusiv de un Ligand sintetic (RASSL), au fost utilizați cu succes in vivo pentru a permite controlul activității cardiace. Cu toate acestea, utilizarea lor în neuroștiințe este împiedicată de activitatea farmacologică a liganzilor in vivo și de activitatea endogenă, constitutivă a receptorilor proiectați în absența ligandului lor specific.
mai recent, s-au dezvoltat receptori de Designer activați de medicamentele de Designer (DREADD). Primii dintre aceștia au fost receptorii muscarinici ai acetilcolinei umane mutați, activați exclusiv de liganzi inerți. Mai multe runde de mutageneză și screening-ul ligandului au identificat receptorii muscarinici cuplați la calea de semnalizare intracelulară GQ care au răspuns la N-oxidul de clozapină (CNO, Cat. 4936). Toate cele trei Dread-uri cuplate GQ (hM1Dq, hM3Dq și hM5Dq) activează activitatea neuronală ca răspuns la legarea unui ligand DREADD. Aceeași cercetare a identificat Dreadd-urile inhibitoare, hM2Di și hM4Di, care inhibă activitatea neuronală ca răspuns la legarea ligandului DREADD. Un DREADD inhibitor numit KORD, a fost, de asemenea, dezvoltat de la receptorul opioid-opioid, care inhibă activitatea neuronală ca răspuns la Salvinorina b (SalB, Cat. 5611).gama de instrumente chemogenetice disponibile cercetătorilor a fost recent extinsă odată cu dezvoltarea canalelor ionice himerice, denumite module de acționare Selective farmacologic (PSAM), care sunt legate selectiv de compuși denumiți molecule efectoare selective farmacologic (psem).
Chemogenetica vs Optogenetica
experimentele Chemogenetice necesită introducerea receptorilor modificați genetic sau a canalelor ionice în zone specifice ale creierului, prin intermediul sistemelor de Expresie vectorială virală. Expresia in vivo a unui receptor chemogenetic poate fi realizată folosind un virus Adeno-asociat (Aav) care codifică DREADD sau PSAM, care este apoi injectat în regiunea creierului. Tipul celular în care este exprimat receptorul poate fi controlat folosind promotori genetici specifici tipului celular. De exemplu, construcțiile DREADD virale cu un promotor CaMKIIa vor conduce expresia DREADD în neuroni, în timp ce o construcție dreadd virală cu un promotor GFAP va conduce expresia DREADD în glia.o tehnică similară pentru modularea activității neuronale este optogenetica, care necesită exprimarea unui canal ionic sensibil la lumină, mai degrabă decât a unui canal ionic legat de ligand sau GPCR. În tehnicile optogenetice, activarea sau inhibarea activității neuronale este inițiată de fibra optică implantată, mai degrabă decât de molecule mici. Caracteristicile cheie ale optogeneticii și chimogeneticii sunt rezumate în tabelul de mai jos.
| caracteristici | Chemogenetics | Optogenetics |
|---|---|---|
| metoda de intervenție | liganzi inerți, cu molecule mici, selectivi pentru receptorii/canalele ionice modificate genetic | canale ionice sensibile la lumină activate de fibra optică implantată |
| este intervenția ‘fiziologică’? | Da-utilizează căi de semnalizare intracelulare conservate sau modifică conductanța canalului ionic pentru a modifica activitatea neuronală | No – modelele de excitație/inhibiție sunt sincronizate artificial prin modelul de stimulare a luminii |
| intervenția este inertă? | Da – receptorii / canalele ionice nu au activitate farmacologică fără liganzi, iar liganzii sunt inerți din punct de vedere farmacologic fără receptori/canale ionice specifice | Nu – sursa de lumină cu fibră optică poate crea căldură, iar canalele bacteriene sensibile la lumină utilizate pot fi antigenice |
| este această metodă invazivă in vivo? | minim la no – liganzi pot fi administrați prin perfuzie intracerebrală, Injecție intraperitoneală sau în apă potabilă, în funcție de ligandul specific | Da – inerent invaziv datorită implantării de fibre optice |
| este necesar un echipament specializat? | nu | Da – necesită fibră optică implantabilă ca sursă de lumină |
publicații recomandate folosind liganzi Tocris DREADD& PSEMs
badimon și colab (2020) controlul feedback-ului negativ al activității neuronale de către microglia. Natura 586, 417. PMID: 32999463
Francois și colab (2017) Un Circuit inhibitor al trunchiului cerebral-măduvei spinării pentru modularea mecanică a durerii de către GABA și Encefaline. Neuronul 93, 822. PMID: 28162807
Leroy și colab (2018) Un circuit de la Ca2 hipocampal la septul lateral dezinhibă agresiunea socială. Natura 564, 213. PMID: 30518859
Nam și colab. (2019) activarea receptorului astrocytic pentru opioide-uri determină preferința locului condiționat. Cell Rep 28, 1154. PMID: 31365861
Pina și colab (2020) receptorul opioid kappa modulează excitabilitatea neuronului GABA și transmiterea sinaptică în proiecțiile creierului mijlociu din cortexul insular. Neurofarmacologie 165, 107831. PMID: 31870854
Campbell& Marchant (2018) utilizarea chimogeneticii în neuroștiința comportamentală: variante de receptori, abordări de direcționare și avertismente. Br J Pharmacol 175, 994. PMID: 29338070
Coward și colab (1998) controlând semnalizarea cu un receptor cuplat Gi special conceput. Proc Natl Acad Sci SUA 95, 352. PMID: 9419379
Magnus și colab (2011) ingineria chimică și genetică a interacțiunilor selective ale canalelor ligand-ion. Știință 333, 1292. PMID: 21885782
Roth (2016) DREADDs pentru neurologi. Neuronul 89, 683. PMID: 26889809
Sternson & Roth (2014) Chemogenetic tools to interrogate brain functions. Annu Rev Neurol 37, 387. PMID: 25002280
