光遗传学 ＆ 化学遗传学——打开神经调控的开关

来源：生物学霸

神经退行性疾病由于其发病机制的复杂性和影响的深刻性一直是学界研究的重点。包括阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）、帕金森病（Parkinson's disease，PD）、神经胶质细胞瘤、癫痫、精神类疾病等的研究。科学家们通过研究发现神经环路改变是产生神经系统相关疾病的重要基础。

传统的神经调控技术主要是电刺激 ＆ 药物刺激两种方法。电刺激虽然具有非常强的时间可控性，但是很难实现对多个部位或多个细胞同时刺激，而加药的方法不仅缺乏空间上的精度和细胞特异性，还会造成不可逆的外源性异物损伤。

那么有没有什么方法既能解决神经调控上的不精确性同时能避免对模式动物造成不可逆的损伤呢？

光遗传学

光遗传学（optogenetics）是结合了光学（optics）及遗传学（genetics）的技术，能在活体动物甚至是自由运动的动物脑内，通过光线调节精准地控制特定种类神经元的活动。

基本原理是找到合适的光敏蛋白，将翻译感光元件蛋白质的 DNA 通过转导、转染甚至是转基因的方法整合到靶标细胞的基因组中。

光遗传学在时间上的精确度可达到毫秒级别，在空间上的精确度则能达到单个细胞级别。这项技术目前在神经科学领域应用非常广泛，未来可能会应用于多种神经和精神疾病的治疗，如帕金森氏病、阿尔茨海默病、脊髓损伤、精神分裂症等。

图 １. 光遗传学的基本原理（以 ChR2 和 NpHR 为例）

光遗传技术具有独特的高时空分辨率和细胞类型特异性两大特点，克服了传统手段控制细胞或有机体活动的许多缺点，能对神经元进行非侵入式的精准定位刺激操作而彻底改变了神经科学领域的研究状况，为神经科学提供了革命性的研究手段。光遗传技术在将来还有可能发展出一系列针对中枢神经系统疾病的新疗法。

化学遗传学

化学遗传学是指：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。

化学遗传学和分子遗传学一样，均是遗传学的一个分支，由于其可控的、可逆的（可以随时加入或除去化合物，从而启动或中断特定的反应）特性，已经在信号转导、药物开发、功能基因组学等方面的研究中得到了广泛的应用。

图 2.　光遗传示意图

图 3. 化学遗传示意图

既然神经退行性疾病的发病原理和实验方法已经 get 了，那么我们通过什么工具在动物体内高效、稳定地表达呢？

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