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化学遗传学产品（激活及抑制）

化学遗传学调控特定神经元活性——21世纪神经科学研究的利器！

化学遗传学（Chemical genetics）又称药物遗传学，是通过调查筛选化学小分子库，而对蛋白质功能以及细胞内信号转导通路进行研究的一门学科。该技术是对一些生物大分子实行改造，使其能和先前无法识别的小分子进行相互作用的过程，从而达到控制生物大分子活性的作用。

随着生物和化学交融的更加紧密，通过对生物体原有的配体与受体进行改造，得到了大量的具有外源物质激活、调节细胞通路的人工改造受体。目前改造的受体包括蛋白激酶、核酸杂交、各种代谢酶和G蛋白偶联受体，基于G蛋白偶联受体改造的化学遗传学受体有很多，从1991年构建的等位基因特异激活的基因编码受体（Allele-specific activation of genetically encoded receptors），到1998年构建的只能被合成配体激活的受体（Receptorsactivated solely by synthetic ligands, RASSLs）和基因工程改造的受体（Engineered receptors），再到2007年构建的只由特定药物激活的受体（Designer receptors exclusively activated by designer drugs, DREADDs）（如图6）。现在DREADDs已成为应用最广泛的化学遗传学技术。

图1.化学遗传学改造天然受体得到的人工受体(Bryan L.Roth. Annu.Rev.Neurosci. 2014)

DREADDs技术

DREADDs技术是指只由特定药物叠氮平-N-氧化物（Clozapine-N-oxide，CNO）激活或抑制DREADDs受体，这些激活或抑制后的受体会选择性地作用于不同的GPCR级联反应来调节细胞信号转导，包括激活Gq、Gi、Gs、Golf和β-arrestin，其中应用最广泛的是Gq-DREADD和Gi-DREADD。

Gq-DREADD（hM3Dq）

hM3Dq是从人毒蕈碱乙酰胆碱受体M3上改造的仅对CNO（clozapine-N-oxide）有反应的人工受体（DREADD），不再受乙酰胆碱激活。在一些神经元里，CNO结合hM3D后，激活Gq蛋白偶联的磷酸酶PLCβ，引起PIP2被降解，从而使得被PIP2关闭的KCNQ外向钾离子通道被打开，以至于细胞膜去极化，形成动作电位。在KCNQ或是Gq不表达的神经元里，hM3D的功能可能会有所不同。

Gi-DREADD（hM4Di）

hM4Di是从人毒蕈碱乙酰胆碱受体M4上改造的仅对CNO（clozapine-N-oxide）有反应的人工受体（DREADD），不再受乙酰胆碱激活。在一些神经元里，CNO结合hM4D后，激活Gi蛋白偶联的内向钾离子通道GIRK，使得细胞膜超极化，抑制神经元细胞动作电位发放。在不表达GIRK或是Gi的细胞中，hM4D的功能会有所不同。

实施方法

激活或抑制神经元是通过激活或抑制DREADDs受体，而要想达到激活或抑制DREADDs受体的目的，就要选择相应的DREADDs受体。DREADDs的操作步骤如下（如图2）：

①选择符合实验目的的DREADDs受体；

②将DREADDs受体基因和特异性启动子导入病毒载体并感染动物机体，使在靶细胞中表达DREADDs受体；

③在合适的时间点给予（立体定位、腹腔注射或喂水）实验动物CNO，激活或抑制DREADDs受体；

④通过行为学或电生理记录神经元活性改变带来的变化。

图2.化学遗传学的实验步骤

应用案例

化学遗传学技术也被广泛用于神经科学领域，下面介绍几例运用该技术的研究案例：

案例1：

2017年3月，暨南大学任超然实验室在《ication》发表研究论文，该项工作是借助化学遗传、钙离子成像及神经示踪揭示了视网膜缝投射通路，及视网膜缝神经元对防御行为的调控（如图3）。

图3.视网膜缝神经元对防御行为的调控（Chaoran Ren, et al.,ication, 2017）

案例2：

此外，《Neuron》在2019年1月发表了孙衍刚的工作，该工作借助了化学遗传学来研究外侧/腹外侧中脑导水管周围灰质（l/vlPAG）谷氨酸能神经元在瘙痒中的功能作用。作者通过抑制l/vlPAG谷氨酸能神经元后，观察到组胺或氯喹诱导的瘙痒抓挠行为明显减弱（如图4）。

图4.l/vlPAG谷氨酸能神经元在瘙痒中的功能作用

产品列表

功能描述	产品编号	产品名称	启动子	标签蛋白	Cre/Flp依赖
化学遗传激活	PT-0525	rAAV-CaMKIIa-hM3D(Gq)-EGFP	CaMKIIa	EGFP	-
	PT-0049	rAAV-CaMKIIa-hM3D(Gq)-mCherry	CaMKIIa	mCherry	-
	PT-0152	rAAV-hSyn-hM3D(Gq)-EGFP	hSyn	EGFP	-
	PT-1580	rAAV-CaMKIIa-DIO-hM3D(Gq)-EGFP	CaMKIIa	EGFP	Cre依赖
化学遗传抑制	PT-0524	rAAV-CaMKIIa-hM4D(Gi)-EGFP	CaMKIIa	EGFP	-
	PT-0017	rAAV-CaMKIIa-hM4D(Gi)-mCherry	CaMKIIa	mCherry	-
	PT-0153	rAAV-hSyn-hM4D(Gi)-EGFP	hSyn	EGFP	-
	PT-1143	rAAV-CaMKIIa-DIO-hM4D(Gi)-mCherry	CaMKIIa	mCherry	Cre依赖

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参考文献

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