圖1. 化學(xué)遺傳學(xué)發(fā)展進(jìn)程

圖2. 化學(xué)遺傳學(xué)作用原理

自1991年Strader設(shè)計(jì)了一個(gè)突變?chǔ)?-adrenaline,受體，其不能識(shí)別內(nèi)源的adrenaline,但可以被L-185870激活，證實(shí)了化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)的可行性。接著在1998年，Coward開發(fā)了一系列編輯的受體，稱為RASSLs。最初的RASSL是對(duì) opium 受體的改造，使其對(duì)內(nèi)源的多肽配體不敏感，但能夠被 opium 受體激動(dòng)劑強(qiáng)烈的激活。之后更多的RASSL被開發(fā)用來(lái)研究味覺(jué)編碼等等（Mueller et al. 2005, Zhao et al. 2003，Conklin et al. 2008）。然而其在神經(jīng)領(lǐng)域的應(yīng)用一直被限制。2007年Armbruster 和Roth開發(fā)出了適用于神經(jīng)研究的基于對(duì)GPCRs的DREADD技術(shù)平臺(tái)。

圖3 . hM3Dq（A）和hM4Di（B）作用機(jī)制

跟光遺傳學(xué)技術(shù)一樣，在應(yīng)用化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)時(shí)主要利用工具病毒來(lái)實(shí)現(xiàn)遺傳改造受體在特定細(xì)胞中特異性地穩(wěn)定表達(dá)，目前以AAV載體為主。

吉?jiǎng)P基因目前已開發(fā)出大量的化學(xué)遺傳學(xué)AAV載體現(xiàn)貨產(chǎn)品（表1），包含廣譜表達(dá)的、組織特異性表達(dá)的、Cre誘導(dǎo)表達(dá)的以及多種熒光標(biāo)簽，對(duì)于有其它需求的我們還可以快速定制個(gè)性化產(chǎn)品，助力廣大科研人員的研究工作。

當(dāng)前使用化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)的誘導(dǎo)藥物主要是Clozapine-N-oxide（CNO），其可以通過(guò)不同方式給藥（圖4），通常如果要觀察長(zhǎng)期調(diào)控過(guò)程中行為變化情況，則直接在小鼠飲用水中加入CNO即可，操作簡(jiǎn)單方便。如果需要多次短暫調(diào)控，則建議通過(guò)腹腔注射的方法在需要調(diào)控時(shí)間點(diǎn)前半小時(shí)給小鼠CNO處理。由于CNO代謝產(chǎn)物為氯氮平，其是一種精神類藥物，因此全身性的給予CNO可能對(duì)小鼠產(chǎn)生一定的副作用，且無(wú)區(qū)域特異性，所以可以通過(guò)腦立體定位注射的方式直接將CNO注入目標(biāo)腦區(qū)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即減弱了副作用又實(shí)現(xiàn)了區(qū)域特異性調(diào)控。

圖4. 化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)中常用CNO給藥方案

在應(yīng)用化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)時(shí)，其實(shí)驗(yàn)流程如圖5所示，主要分為四步：

第一步：選擇合適的化學(xué)遺傳學(xué)受體；

第二步：利用工具病毒載體在細(xì)胞中表達(dá)化學(xué)遺傳學(xué)受體；

第三步：給予小分子化學(xué)藥物處理，激活化學(xué)遺傳學(xué)受體；

第四步：記錄或觀察動(dòng)物行為學(xué)變化，確定神經(jīng)元或神經(jīng)環(huán)路功能。

圖5. 化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)流程圖

化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)廣泛的應(yīng)用于信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、藥物開發(fā)、功能基因組學(xué)等方面的研究，在神經(jīng)領(lǐng)域其應(yīng)用主要在于神經(jīng)環(huán)路功能的驗(yàn)證，尤其是當(dāng)實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有光遺傳學(xué)技術(shù)平臺(tái)設(shè)備時(shí)，化學(xué)遺傳學(xué)低門檻易操作的優(yōu)點(diǎn)使其成為神經(jīng)環(huán)路研究的優(yōu)選，包括中樞內(nèi)的神經(jīng)環(huán)路、中樞到外周的神經(jīng)環(huán)路以及特定神經(jīng)環(huán)路功能的驗(yàn)證。

2019年南京醫(yī)科大學(xué)朱東亞教授團(tuán)隊(duì)在The Journal of Neuroscience 上發(fā)表其研究成果，發(fā)現(xiàn)前扣帶回皮層至腹側(cè)海馬的神經(jīng)環(huán)路是介導(dǎo)條件恐懼記憶泛化的關(guān)鍵神經(jīng)環(huán)路。在研究功能相關(guān)性時(shí)作者用了化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)，在ACC、vHPC、dHPC腦區(qū)分別注射AAV-hSyn-HA-hM4Di-IRES-mCitrine，給予CNO處理后有效的抑制各腦區(qū)神經(jīng)元的活動(dòng)，表明了AAC和vHPC腦區(qū)與恐懼記憶泛化相關(guān)（圖6）。

圖6. 化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)驗(yàn)證AAC、vHPC腦區(qū)神經(jīng)元與恐懼記憶泛素化的關(guān)系（Xin-Lan Bian,et al., The Journal of Neuroscience, 2019）

2019年河北醫(yī)科大學(xué)王升教授團(tuán)隊(duì)在The Journal of Neuroscience 上發(fā)表的研究成果中，給予Phox2b-Cre小鼠孤束核注射AAV2-EF1α-DIO-hM3Dq-mCherry，在Phox2b陽(yáng)性神經(jīng)元中特異性表達(dá)hM3Dq，給予CNO處理后激活孤束核區(qū)域Phox2b陽(yáng)性神經(jīng)元進(jìn)而探究孤束核Phox2b陽(yáng)性神經(jīng)元在呼吸調(diào)控中的作用（圖7）。

圖7. 化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)研究Phox2b陽(yáng)性神經(jīng)元在呼吸中的功能（Congrui Fu，et al., The Journal of Neuroscience, 2019）

最后，化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)因具有非侵入性、作用時(shí)程長(zhǎng)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，無(wú)需埋置光纖，小鼠活動(dòng)自由度不受限制，且給藥方式簡(jiǎn)單效果持續(xù)時(shí)間久，為人們探究不同行為的調(diào)控神經(jīng)環(huán)路提供了更便捷的技術(shù)平臺(tái)。吉?jiǎng)P基因也將持續(xù)優(yōu)化化學(xué)遺傳學(xué)病毒載體，更好的服務(wù)于廣大科研人員的研究工作。

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