historia av Kemogenetik

GPCR har varit i framkant av kemogenetiska tekniker, med det första papperet som beskriver GPCR som endast svarar på syntetiska ligander publicerade 1998. Dessa receptorer, namngivna receptorer aktiverade enbart av en syntetisk Ligand (RASSL), användes framgångsrikt in vivo för att möjliggöra kontroll av hjärtaktivitet. Men deras användning i neurovetenskap hindras av ligandernas farmakologiska aktivitet in vivo och den endogena, konstitutiva aktiviteten hos de konstruerade receptorerna i frånvaro av deras specifika ligand.

På senare tid har Designerreceptorer aktiverade av designerdroger (DREADD) utvecklats. Den första av dessa var muterade humana muskarinacetylkolinreceptorer aktiverade enbart av inerta ligander. Flera rundor av mutagenes och ligand screening identifierade muskarinreceptorer kopplade till GQ intracellulär signalväg som svarade på clozapin N-oxid (CNO, Cat. Nr 4936). Alla tre GQ-kopplade DREADDs (hM1Dq, hM3Dq och hM5Dq) aktiverar neuronal aktivitet som svar på bindning av en DREADD-ligand. Samma forskning identifierade de hämmande DREADDs, hM2Di och hM4Di, som hämmar neuronal aktivitet som svar på DREADD ligandbindning. En hämmande DREADD som heter KORD, har också utvecklats från den opioida receptorn, som hämmar neuronal aktivitet som svar på Salvinorin B (SalB, Cat. Nr 5611).

utbudet av kemogenetiska verktyg tillgängliga för forskare har nyligen utökats med utvecklingen av chimära jonkanaler, benämnda farmakologiskt selektiva Ställdonsmoduler (Psam), som selektivt binds av föreningar som kallas farmakologiskt selektiva Effektormolekyler (psem).

Kemogenetik vs optogenetik

Kemogenetiska experiment kräver införande av genetiskt konstruerade receptorer eller jonkanaler i specifika hjärnområden via virala vektoruttryckssystem. In vivo-uttryck av en kemogenetisk receptor kan uppnås med hjälp av ett Adenoassocierat virus (AAV) som kodar för DREADD eller PSAM, som sedan injiceras i hjärnregionen. Celltypen som receptorn uttrycks i kan styras med hjälp av celltypspecifika genetiska promotorer. Till exempel, viral DREADD konstruktioner med en CaMKIIa promotor kommer att driva DREADD uttryck i neuroner, medan en viral DREADD konstruktion med en GFAP promotor kommer att driva DREADD uttryck i glia.en liknande teknik för modulering av neuronal aktivitet är optogenetik, vilket kräver uttryck av en ljuskänslig jonkanal, snarare än en ligand-gated jonkanal eller GPCR. I optogenetiska tekniker initieras aktivering eller hämning av neuronal aktivitet av implanterad fiberoptik, snarare än små molekyler. De viktigaste funktionerna i optogenetik och kemogenetik sammanfattas i tabellen nedan.

funktioner	Kemogenetik	optogenetik
interventionsmetod	inerta, småmolekylära ligander selektiva för genetiskt modifierade receptorer/jonkanaler	ljuskänsliga jonkanaler aktiverade av implanterad fiberoptik
är interventionen ’fysiologisk’?	ja-använder konserverade, intracellulära signalvägar eller ändrar jonkanalkonduktans för att förändra neuronal aktivitet	Nej – mönster för excitation/hämning synkroniseras artificiellt med ljusstimuleringsmönster
är interventionen inert?	ja – receptorer / jonkanaler saknar farmakologisk aktivitet utan ligander och ligander är farmakologiskt inerta utan specifika konstruerade receptorer/jonkanaler	Nej-den fiberoptiska ljuskällan kan skapa värme och bakteriella ljuskänsliga kanaler som används kan vara antigen
är denna metod invasiv in vivo?	minimalt till no-ligander kan ges genom intracerebral infusion, intraperitoneal injektion eller i dricksvatten, beroende på specifik ligand	ja-naturligt invasiv på grund av implantation av fiberoptik
krävs specialutrustning?	Nej	ja – kräver implanterbar fiberoptik som ljuskälla

utvalda publikationer med Tocris DREADD Ligands & PSEMs

badimon et al (2020) negativ återkopplingskontroll av neuronal aktivitet av microglia. Natur 586, 417. PMID: 32999463

Francois et al (2017) en hjärnstam-Ryggmärgshämmande krets för mekanisk smärtmodulering av GABA och enkefaliner. Neuron 93, 822. PMID: 28162807

Leroy et al (2018) en krets från hippocampal CA2 till lateral septum disinhibits social aggression. Natur 564, 213. PMID: 30518859

Nam et al (2019) aktivering av Astrocytisk Macau-opioidreceptor orsakar konditionerad Platspreferens. Cell Rep 28, 1154. PMID: 31365861

Pina et al (2020) kappa opioidreceptorn modulerar GABA neuron excitabilitet och synaptisk överföring i midbrain-projektioner från den insulära cortexen. Neurofarmakologi 165, 107831. PMID: 31870854

Campbell & Marchant (2018) användningen av kemogenetik i beteende neurovetenskap: receptorvarianter, inriktningsmetoder och varningar. Br J Pharmacol 175, 994. PMID: 29338070

Coward et al (1998) som styr signalering med en speciellt utformad Gi-kopplad receptor. Proc Natl Acad Sci USA 95, 352. PMID: 9419379

Magnus et al (2011) kemisk och genteknik av selektiva ligand-jonkanalinteraktioner. Vetenskap 333, 1292. PMID: 21885782

Roth (2016) DREADDs för Neurovetenskapsmän. Neuron 89, 683. PMID: 26889809

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