Přehled Chemogenetiky

vzhledem k významnému vývoji v neurovědních technikách jsou vědci nyní schopni selektivně využívat nervové systémy u vědomých zvířat prostřednictvím nově vznikajících metod zvaných chemogenetika a optogenetika. Tyto metody pomáhají při zkoumání nervových obvodů, které jsou základem složitého chování v nemoci a zdraví.

Chemogenetika a optogenetika vykazují podobnosti ve svém přístupu k modifikaci neuronální aktivity; například v obou technikách musí být iontové kanály nebo upravené receptory zavedeny do konkrétních oblastí mozku prostřednictvím exprese plazmidu nebo systémů virových vektorů. V optogenetice musí být exprimovány bakteriální iontové kanály citlivé na světlo a následně musí být také použita optická vlákna k inhibici nebo aktivaci neuronální aktivity in vivo nebo in vitro (Boyden et al., 2005; Zhang et al., 2007).

ačkoli tato metoda nabízí vynikající časovou kontrolu neuronální aktivity in vivo, je známo, že je neodmyslitelně invazivní a vyžaduje mozkovou implantaci vláknové optiky. Chemogenetika na druhé straně nepotřebuje chronický implantát, ale udržuje potenciál pro kontrolu neuronální aktivity. Toho je dosaženo podáváním ligandů, selektivních pro iontové kanály nebo upravené receptory, které jsou jinak inertní (Armbruster et al ., 2007; Campbell & Marchant, 2018). Tabulka 1 ukazuje hlavní rysy chemogenetiky a optogenetiky.

Tabulka 1. Chemogenetika vs optogenetika

historie a vývoj

RASSLs

Chemogenetika označuje použití iontových kanálů nebo geneticky upravených receptorů a selektivních ligandů aktivujících tyto receptory k usnadnění manipulace s neuronální aktivitou. V této souvislosti byly receptory vázané na G-protein (GPCRs) v čele vývoje chemogenetiky a původní článek definující GPCRs, které reagují pouze na syntetické ligandy, byl publikován v roce 1998.

tyto receptory — známé jako receptory aktivované výhradně syntetickým ligandem (RASSLs) – byly účinně aplikovány in vivo, například k dálkovému řízení srdeční aktivity. Navzdory této skutečnosti byla aplikace RASSLs v neurovědě omezena endogenní aktivitou receptorů v nepřítomnosti jejich konkrétního ligandu a farmakologickou aktivitou ligand in vivo (Coward et al ., 1998; Sternson & Roth, 2014).

DREADDs

v posledních letech došlo k vývoji návrhářských receptorů výhradně aktivovaných značkovými léky (DREADDS). Mutované lidské muskarinové receptory stimulované pouze inertními ligandy byly prvními strachy, které byly vyvinuty (Armbruster et al., 2007). Prostřednictvím několika kol mutageneze a screeningu proti biologicky inertnímu ligandu klozapin N-oxid (CNO)byly identifikovány muskarinové receptory spojené s intracelulární signální dráhou Gaq.

receptory spojené s touto cestou jsou schopné aktivovat neuronální aktivitu v reakci na CNO. Nízké koncentrace CNO aktivují všechny tři Gaq-DREADDs-hM1Dq, hM3Dq a hM5Dq(Roth, 2016). Stejná studie navíc odhalila, že hM4Di a hM2Di mohou inhibovat neuronální aktivitu prostřednictvím jejich vazby na intracelulární signální dráhy Gai. Tyto inhibiční strachy také reagují na CNO (Armbruster et al., 2007; Obrázek 1).

Obrázek 1. Mechanismus působení DREADD ligandy. Vazba DREADDOVÝCH ligandů na Gaq-Dreaddy vyvolává neuronální palbu, zatímco vazba na Gai-Dreaddy vede k inhibici neuronální aktivity. Klozapin N-oxid dihydrochlorid a DREADD agonista 21 jsou neselektivní muskarinové DREADD agonisté, a tak mohou aktivovat nebo inhibovat neuronální aktivitu v závislosti na specifickém receptoru, který je exprimován. Salvinorin B je selektivní pro Kord receptor, který je vázán na Gai signalizaci, následkem toho vazba vede k inhibici neuronální aktivity. Kredit: Tocris Bioscience

vazba mezi Gaq-Dreaddy a CNO způsobuje stimulaci fosfolipázy C (PLC), která katalyzuje přeměnu fosfatidylinositol 4,5-bisfosfátu (PIP2) na 1,2-diacylglycerol (DAG) a inositol 1,4,5-trisfosfátu (IP3). DAG i IP3 mají funkce druhého posla: ten se váže na své receptory a spouští uvolňování Ca2+ z intracelulárních zásob, zatímco první stimuluje různé formy proteinkinázy C (PKC).

vazba mezi Gai-Dreaddy a CNO způsobuje inhibici adenylylcyklázy (AC), což vede ke snížení intracelulárních hladin cAMP. Protože EPAC i proteinkináza A (PKA) jsou aktivovány cAMP, působení CNO na Gai-DREADDs inhibuje signalizaci EPAC a PKA po proudu (viz Obrázek 1).

CNO je metabolit klozapinu, studie naznačují, že se jedná o obousměrnou konverzi a že CNO může podstoupit reverzní metabolismus na klozapin. Když se CNO podává v koncentracích potřebných k aktivaci Dreaddů, klozapin je následně schopen aktivovat endogenní receptory (Gomez et al ., 2017). Klozapin-atypické antipsychotikum-působí na řadu cílů a vede k mnoha různým behaviorálním účinkům.

krysy, myši, lidé, nehumánní primáti a morčata vykazují reverzibilní metabolismus CNO na klozapin (Gomez et al ., 2017; Manvich et al., 2018). V důsledku potenciálního reverzního metabolismu CNO, studie vztahů mezi strukturou a aktivitou se vyvinuly a vyvinuly stabilní, alternativní ligandy.

silný DREADD ligand-DREADD agonista 21 – byl zpočátku analyzován na aktivitu proti hM3Dq. Schválený lék perlapin byl identifikován jako silný agonista hM3Dq ve stejném výzkumu. V Japonsku byl tento lék schválen jako sedativní a hypnotický (Chen et al ., 2015). Jak perlapin, tak DREADD agonista 21 byly následně prokázány jako silné agonisty hM4Di, hM3Dq a hM1Dq s malou nebo žádnou mimo cílovou aktivitu. Kromě toho byl DREADD agonista 21 testován in vivo, ve kterém bylo prokázáno, že aktivuje neurony exprimující hM3Dq a inhibuje aktivitu neuronů exprimujících hM4Di (Thompson et al., 2018).

po vývoji muskarinových Dreadd byl vytvořen inhibiční DREADD z κ-opioidního receptoru (KORD). Aktivace tohoto inhibičního strachu je dosažena vazbou ligandu Salvinorinu B, což vede k inhibici neuronální aktivity prostřednictvím signalizace Gai. Pro umožnění obousměrné kontroly neuronální aktivity může být KORD využit spolu s aktivací Dreaddů, jako je hM3Dq (Vardy et al ., 2015).

některé společné rysy všech Dreaddů je činí vhodnými pro použití v neurovědních experimentech. Za prvé, DREADDs nevykazují žádnou odpověď na endogenní ligandy kvůli genetickým mutacím v jejich vazebných místech ligandu, které eliminují vazbu, což znamená, že jakákoli aktivita DREADD bude pouze kvůli aplikacím specifického DREADD ligandu. Za druhé, in vitro nebo in vivo exprese DREADDs nemá žádný vliv na základní chování, neuronální funkci nebo buněčnou aktivitu před přidáním DREADD ligandu (Sternson & Roth, 2014).

PSAMs / PSEMs

zatímco DREADDs a RASSLs jsou založeny na GPCRs, modifikované iontové kanály s názvem farmakologicky selektivní Ovládací moduly (PSAMs) byly také použity pro modulaci aktivity neuronů. PSAMs jsou založeny na studiích, které naznačují, že je možné transplantovat extracelulární doménu vázající ligand receptoru α7 nikotinového ACh (nAChR) na doménu iontových pórů jiných ligandem řízených iontových kanálů. Když je vazebná doména α7 nAChR ligand spojena s doménou iontových pórů receptoru 5-HT3, vzniká iontový kanál s farmakologií α7 nAChR, ale s kationtovými vodivými vlastnostmi 5-HT3 (Eiselé et al., 1993).

podobně sestřih vazebné domény α7 nAChR ligandu s doménou iontových pórů chloridového selektivního glycinového receptoru (GlyR) vytváří Ach citlivý chloridový kanál (Grutter et al., 2005). Selektivní mutace vazebné domény α7 nAChR ligandu následně generuje psam iontové kanály, které nevykazují žádnou vazbu ACh, ale jsou stále selektivně vázány sloučeninami nazývanými farmakologicky selektivní efektorové molekuly (PSEMs).

Psam nebo chimérické iontové kanály umožňující regulaci aniontové nebo kationtové vodivosti byly vytvořeny kombinací mutované α7 nAChR ligandové vazebné domény (nesoucí dvě nebo jednu mutaci) s iontovou pórovou doménou několika různých ligandem řízených iontových kanálů. Takové chiméry PSAM jsou pojmenovány na základě jejich mutací a také na základě domény propojených iontových pórů — PSAML141F,Y115F-GlyR, PSAML141F-GlyR, PSAML141F, Y115F-GABAC a PSAML141F,Y115F-5-HT3. Aktivace neuronální aktivity je umožněna chimérami obsahujícími 5-HT3, zatímco chiméry obsahující GABAC a GlyR jsou inhibiční (viz Obrázek 2) (Magnus et al., 2011; Sternson & Roth, 2014).

Obrázek 2. Mechanismus působení PSEMs. Aktivační Psam jsou složeny z mutované domény vázající α7 nAChR ligand spojené s doménou iontových pórů kationtově selektivního kanálu, jako je 5-HT3. Vazba psem na aktivaci Psam vede k přílivu kationtů a aktivaci neuronální aktivity. Inhibiční Psamy jsou složeny z mutované vazebné domény α7 nAChR ligandu spojené s iontovou poredomainou aniontového selektivního kanálu, jako je GlyR. Vazba psem na inhibiční Psam vede k přílivu aniontů a inhibici neuronální aktivity. Image credit: Tocris Bioscience

vědecké recenze pro další čtení

• Campbell & Marchant (2018) použití chemogenetiky v behaviorální neurovědě: varianty receptorů, přístupy cílení a námitky. Brunclík. 175, 994.
• Roth (2016) se bojí neurovědců. Neuron. 89, 683.
• Magnus et al. (2011) chemické a genetické inženýrství selektivních interakcí ligand-iontový kanál. Věda. 333, 1292.
• Sternson & Roth (2014) Chemogenetické nástroje k výslechu mozkových funkcí. Annu Rev Neurol. 37, 387.

1. Armbruster et al. (2007) vyvíjení zámku tak, aby odpovídal klíči, aby se vytvořila rodina receptorů spřažených s G proteinem, které jsou silně aktivovány inertním ligandem. Proc Natl Acad Sci USA. 104, 5163.
2. Atasoy et al. (2012) dekonstrukce neurálního obvodu pro hlad. Povaha. 488, 172.
3. Boyden et al. (2005) milisekunda-časový rámec, geneticky cílená optická kontrola nervové aktivity. Nat Neurosci. 8, 1263.
4. Bradley & Tobin (2016) Design léků receptorů vázaných na G protein nové generace: propojení nové farmakologie a zvířecích modelů in vivo. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 56, 535.
5. Bradley et al. (2018) použití chemogenetických přístupů ke studiu fyziologických rolí muskarinových acetylcholinových receptorů v centrálním nervovém systému. Neurofarmakologie. 136, 421.
6. Chen et al. (2015) první studie vztahů mezi strukturou a aktivitou pro návrhářské receptory aktivované výhradně značkovými léky. ACS Chemicals. 6, 476.
7. Coward et al. (1998) řízení signalizace pomocí speciálně navrženého receptoru spřaženého s Gi. Proc Natl Acad Sci USA. 95, 352.
8. Eiselé et al. (1993) chimaerický nikotin-serotonergní receptor kombinuje vazbu ligandu a specifika kanálů. Povaha. 366, 479.
9. Ge et al. (2017) Glutamatergické projekce z entorhinální kůry na dorzální dentátový gyrus zprostředkované kontextově indukované obnovení hledání heroinu. Neuropsychofarmakologie. 42, 1860.
10. Gomez et al. (2017) Chemogenetics revealed: DREADD obsazení a aktivace přes převedený klozapin. Věda. 357, 503.
11. Grutter et al. (2005) molekulární ladění rychlých hradel v pentamerických ligandem řízených iontových kanálech. Proc Natl Acad Sci USA. 102, 18207.
12. Jiang et al. (2018) cholinergní neurony ve středním septu udržují úzkostné chování vyvolané chronickou zánětlivou bolestí. Neurovědec Lett. 671, 7.
13. Manvich et al. (2018) DREADD agonista klozapin N-oxid (CNO) je zpětně metabolizován na klozapin a vyvolává interoceptivní stimulační účinky podobné klozapinu u potkanů a myší. Sci Rep. 8, 3840.
14. Rapanelli et al. (2017) histaminová modulace obvodů bazálních ganglií ve vývoji patologické péče. Proc Natl Acad Sci USA. 114, 6599.
15. Sasaki et al. (2011) Farmakogenetická modulace neuronů orexinu mění stavy spánku / bdění u myší. PLoS Jedna. 6, e20360.
16. Schwartz et al. (2017) kortiko-accumbens regulace chování vyhýbání se přístupu je modifikována zkušenostmi a chronickou bolestí. Cela Rep. 19, 1522.
17. Thompson et al. (2018) DREADD agonist 21 (C21) je účinný agonista pro muskarinové dredy in vitro a in vivo. ACS Pharmacol Transl Sci. Epub před tiskem.
18. Vardy et al. (2016) nový DREADD usnadňuje multiplexní chemogenetické výslechy chování. Neuron. 86, 936.
19. Varela et al. (2016) sledování časově závislé role hippocampu při vyvolání paměti pomocí dredů. PLoS Jedna. 11, e0154374.
20. Zhang et al. (2007) multimodální rychlý optický výslech nervových obvodů. Povaha. 446, 633.

o společnosti Tocris Bioscience

Tocris Bioscience je vaším důvěryhodným dodavatelem vysoce výkonných činidel pro vědu o životě, včetně agonistů receptorů & antagonistů, inhibitorů enzymů,modulátorů iontových kanálů, fluorescenčních sond & barviv a sloučenin. Náš katalog se skládá z více než 4500 výzkumných nástrojů, které pokrývají více než 400 proteinových cílů, což vám umožní zkoumat a modulovat aktivitu mnoha signálních drah a fyziologických procesů.

spolupracujeme s vědci již více než 30 let, abychom poskytli komunitě věd o životě výzkumné standardy a nové a inovativní výzkumné nástroje. Chápeme, že je třeba, aby výzkumní pracovníci důvěřovali svým výzkumným činidlům,a proto jsme se zavázali dodávat našim zákazníkům nejkvalitnější dostupné produkty, abyste mohli s důvěrou publikovat.

Tocris je součástí divize protein sciences společnosti Bio-Techne, která zahrnuje také nejlepší ve své třídě značky R&D Systems, Novus Biologicals, ProteinSimple a Advanced Cell Diagnostics. Bio-Techne sjednotila tyto značky a poskytla výzkumným pracovníkům kompletní portfolio výzkumných činidel, testů a proteinových platforem. Další informace o Bio-Techne a jeho značkách naleznete na adrese bio-techne.com.

politika sponzorovaného obsahu: News-Medical.net publikuje články a související obsah, který může být odvozen ze zdrojů, kde máme stávající obchodní vztahy, za předpokladu, že takový obsah přidává hodnotu jádru redakčního étosu News-Medical.Net což je vzdělávat a informovat návštěvníky stránek se zájmem o lékařský výzkum, Věda, zdravotnické prostředky a léčby.

citace