En oversigt over Kemogenetik

på grund af en betydelig udvikling inden for neurovidenskabsteknikker er forskere nu i stand til selektivt at udnytte neurale systemer i bevidste dyr gennem nye metoder kaldet kemogenetik og optogenetik. Disse metoder hjælper med at udforske de neurale kredsløb, der ligger til grund for indviklede adfærd i sygdom og sundhed.

Kemogenetik og optogenetik viser ligheder i deres tilgang til at modificere neuronal aktivitet; for eksempel skal ionkanaler eller konstruerede receptorer i begge teknikker introduceres i bestemte hjerneområder gennem plasmidekspression eller virale vektorsystemer. I optogenetik skal bakterielle lysfølsomme ionkanaler udtrykkes, og fiberoptik skal også efterfølgende bruges til at hæmme eller aktivere neuronal aktivitet in vivo eller in vitro (Boyden et al., 2005; Chang et al., 2007).

selvom denne metode tilbyder overlegen tidsmæssig kontrol af in vivo neuronal aktivitet, er den kendt for at være iboende invasiv og har brug for cerebral implantation af fiberoptik. Kemogenetik har derimod ikke brug for et kronisk implantat, men opretholder potentialet til at kontrollere neuronal aktivitet. Dette opnås ved at administrere ligander, selektive for ionkanaler eller konstruerede receptorer, som ellers er inerte (Armbruster et al., 2007; Campbell & Marchant, 2018). Tabel 1 viser de vigtigste træk ved kemogenetik og optogenetik.

tabel 1. Kemogenetik vs optogenetik

historie og udvikling

RASSLs

Kemogenetik henviser til brugen af ionkanaler eller genetisk konstruerede receptorer og de selektive ligander, der aktiverer disse receptorer for at lette manipulationen af neuronal aktivitet. I denne sammenhæng har G-proteinkoblede receptorer (GPCR ‘er) været i spidsen for udviklingen af kemogenetik, og det originale papir, der definerer GPCR’ er, der kun reagerer på syntetiske ligander, blev offentliggjort i 1998.

disse receptorer — kendt som receptorer aktiveret udelukkende af en syntetisk Ligand (Rassl ‘ er) — blev effektivt anvendt in vivo, for eksempel til fjernstyring af hjerteaktivitet. På trods af dette er anvendelsen af Rassl ‘ er i neurovidenskab blevet begrænset af den endogene aktivitet af receptorer i fravær af deres særlige ligand og den farmakologiske aktivitet af ligander in vivo (kujon et al., 1998; Sternson & Roth, 2014).

dreads

de seneste år har udviklingen af Designerreceptorer udelukkende aktiveret af Designer Drugs (dreads). Muterede humane muskarinreceptorer stimuleret kun af inerte ligander var de første dreads, der blev udviklet (Armbruster et al., 2007). Gennem flere runder af mutagenese og screening mod den biologisk inerte ligand, blev muskarinreceptorer koblet til den intracellulære signalvej identificeret.

receptorer koblet til denne vej er i stand til at aktivere neuronal aktivitet som respons på CNO. Lave koncentrationer af CNO aktiverer alle tre Dreadd ‘ er-hm1dk, hm3dk og Hm5dk (Roth, 2016). Desuden afslørede den samme undersøgelse, at hM4Di og hM2Di kan hæmme neuronal aktivitet via deres kobling til GAI intracellulære signalveje. Disse hæmmende dreads reagerer også på CNO (Armbruster et al., 2007; Figur 1).

Figur 1. Virkningsmekanisme for DREADD ligander. Binding af DREADD-ligander til Gak-dreads fremkalder neuronal fyring, mens binding til Gai-dreads resulterer i hæmning af neuronal aktivitet. DREADD-agonist 21 er ikke-selektive muskarine DREADD-agonister og kan således aktivere eller hæmme neuronal aktivitet afhængigt af den specifikke receptor, der udtrykkes. Salvinorin B er selektiv for KORD-receptoren, som er koblet til GaI-signalering, følgelig resulterer binding i inhibering af neuronal aktivitet. Billedkredit: Tocris Bioscience

bindingen mellem Gak-DREADDs og CNO forårsager stimulering af phospholipase C (PLC), som katalyserer omdannelsen af phosphatidylinositol 4,5-bisphosphat (PIP2) til 1,2-diacylglycerol (DAG) og inositol 1,4,5-trisphosphat (IP3). Både DAG og IP3 har anden messenger-funktioner: sidstnævnte binder til dets receptorer for at udløse frigivelsen af Ca2+ fra intracellulære butikker, mens førstnævnte stimulerer forskellige former for proteinkinase C (PKC).

bindingen mellem Gai-dreads og CNO forårsager hæmning af adenylylcyclase (AC), hvilket resulterer i nedsatte intracellulære cAMP-niveauer. Da både EPAC og proteinkinase a (PKA) aktiveres af cAMP, hæmmer CNOS handling ved Gai-DREADDs EPAC og PKA nedstrøms signalering (se figur 1).

CNO er en metabolit af closapin, undersøgelser viser, at dette er en tovejskonvertering, og at CNO kan gennemgå omvendt metabolisme til closapin. Når CNO administreres i de koncentrationer, der er nødvendige for at aktivere Dreadd ‘ er, er closapin efterfølgende i stand til at aktivere endogene receptorer., 2017). Et atypisk antipsykotikum virker på en række mål og fører til mange forskellige adfærdsmæssige effekter.

rotter, mus, mennesker, ikke-humane primater og marsvin viser alle reversibel metabolisme af CNO til closapin., 2017; Manvich et al., 2018). Som et resultat af potentiel omvendt metabolisme af CNO, struktur-aktivitetsforholdsstudier har udviklet sig til at udvikle stabile, alternative ligander.

den potente DREADD — ligand — DREADD-agonist 21-blev oprindeligt analyseret for aktivitet mod hm3dk. Det godkendte lægemiddel perlapin blev identificeret som en stærk hm3dk-agonist i samme forskning. I Japan er dette stof blevet godkendt som beroligende og hypnotisk (Chen et al., 2015). Både perlapin og DREADD agonist 21 har efterfølgende vist sig at være potente agonister af hM4Di, hm3dk og hm1dk med ringe eller ingen off-target aktivitet. Desuden er DREADD-agonist 21 blevet testet in vivo, hvor det har vist sig at aktivere hm3dk-ekspressive neuroner og hæmme aktiviteten af hM4Di-ekspressive neuroner (Thompson et al., 2018).

efter udviklingen af muskarine DREADDs er der skabt en hæmmende DREADD fra den oprensede opioidreceptor (KORD). Aktivering af denne hæmmende DREADD opnås gennem binding af liganden Salvinorin B, hvilket resulterer i inhibering af neuronal aktivitet gennem Gai-signalering. For at tillade tovejskontrol af neuronal aktivitet kan KORD bruges sammen med aktivering af DREADDs som hm3dk (Vardy et al., 2015).

nogle fælles træk i alle dreads gør dem egnede til anvendelse i neurovidenskabseksperimenter. For det første udviser DREADDs ikke noget svar på endogene ligander på grund af genetiske mutationer inden for deres ligandbindingssteder, der eliminerer binding, hvilket antyder, at enhver aktivitet af DREADD kun vil være på grund af anvendelserne af den specifikke DREADD-ligand. For det andet Har in vitro eller in vivo-ekspression af DREADDs ingen indflydelse på baseline-adfærd, neuronal funktion eller cellulær aktivitet før tilføjelsen af DREADD-liganden (Sternson & Roth, 2014).

PSAM ‘er/psem’ er

mens DREADDs og Rassl ‘er er baseret på GPCR’ er, er modificerede ionkanaler navngivet farmakologisk selektive Aktuatormoduler (PSAM ‘ er) også blevet brugt til modulering af neurons aktivitet. PSAM ‘ er er baseret på undersøgelser, der indikerer, at det er muligt at transplantere det ekstracellulære ligandbindingsdomæne for den nikotiniske ACH-receptor (nachr) på ionporedomænet i andre ligandstyrede ionkanaler. Når det prit7 nachr-ligandbindingsdomæne splejses med ionporedomænet for 5-HT3-receptoren, produceres en ionkanal med lurit7 nachr-farmakologi, men med 5-HT3-kationledningsegenskaber (Eisel Larsen et al., 1993).

på samme måde producerer splejsning af det ligandbindingsdomæne med det ionporedomæne af den chlorid-selektive glycinreceptor (GlyR) en ACH-responsiv chloridkanal (Grutter et al., 2005). Selektiv mutation af det pris7 nachr-ligandbindingsdomæne genererer følgelig PSAM-ionkanaler, som ikke viser nogen ACH-binding, men stadig er selektivt bundet af forbindelser kaldet farmakologisk selektive Effektormolekyler (PSEMs).

PSAM ‘ er eller kimære ionkanaler, der tillader regulering af anion-eller kationkonduktans, er blevet produceret gennem kombinationen af det muterede nachr-ligandbindingsdomæne (med to eller en mutation) med ionporedomænet i flere forskellige ligandstyrede ionkanaler. Sådanne PSAM-kimærer er navngivet baseret på deres mutationer såvel som forbundet ionporedomæne — PSAML141F,Y115F-GlyR, PSAML141F-GlyR, PSAML141F,Y115F-GABAC og PSAML141F, Y115F-5-HT3. Aktivering af neuronal aktivitet aktiveres af 5-HT3-holdige kimærer, hvorimod GABAC-og GlyR-holdige kimærer er hæmmende (se figur 2) (Magnus et al., 2011; Sternson & Roth, 2014).

figur 2. Virkningsmekanisme for PSEMs. Aktiverende PSAM ‘ er er sammensat af et muteret nachr-ligandbindingsdomæne, der er splejset med ionporedomænet i en kationselektiv kanal, såsom 5-HT3. Binding af PSEMs til aktivering af PSAM ‘ er resulterer i en tilstrømning af kationer og aktivering af neuronal aktivitet. Hæmmende PSAM ‘ er er sammensat af et muteret lyr7 nachr ligandbindende domæne splejset med ionporedomænet i en anionselektiv kanal, såsom GlyR. Binding af PSEMs til hæmmende PSAM ‘ er resulterer i en tilstrømning af anioner og hæmning af neuronal aktivitet. Billedkredit: Tocris Bioscience

videnskabelige anmeldelser til yderligere læsning

• Campbell & Marchant (2018) brugen af kemogenetik i adfærdsmæssig neurovidenskab: receptorvarianter, målretningsmetoder og advarsler. Br J Pharmacol. 175, 994.
• Roth (2016) dreads for neurovidenskabere. Neuron. 89, 683.
• Magnus et al. (2011) kemisk og genteknologi af selektive ligand-ionkanalinteraktioner. Videnskab. 333, 1292.
• Sternson & Roth (2014) Kemogenetiske værktøjer til at forhøre hjernefunktioner. Annu Rev Neurol. 37, 387.

1. Armbruster et al. (2007) Udvikler låsen til at passe nøglen til at skabe en familie af G-proteinkoblede receptorer, der er stærkt aktiveret af en inert ligand. Proc Natl Acad sci USA. 104, 5163.
2. Atasoy et al. (2012) dekonstruktion af et neuralt kredsløb for sult. Natur. 488, 172.
3. Boyden et al. (2005) millisekund-tidsskala, genetisk målrettet optisk kontrol af neural aktivitet. Nat Neurosci. 8, 1263.
4. Bradley & Tobin (2016) Design af næste generations G-proteinkoblede receptorlægemidler: forbinder ny farmakologi og in vivo dyremodeller. Annu Rev Pharmacol Toksikol. 56, 535.
5. Bradley et al. (2018) Anvendelsen af kemogenetiske tilgange til at studere de fysiologiske roller af muskariniske acetylcholinreceptorer i centralnervesystemet. Neurofarmakologi. 136, 421.
6. Chen et al. (2015) de første undersøgelser af struktur-aktivitetsforhold for designerreceptorer, der udelukkende aktiveres af designermedicin. ACS Chem Neuroscience. 6, 476.
7. kujon et al. (1998) styring af signalering med en specielt designet Gi-koblet receptor. Proc Natl Acad sci USA. 95, 352.
8. Eisel Lenin et al. (1993) kimærisk nikotin-serotonerg receptor kombinerer ligandbinding og kanalspecifikationer. Natur. 366, 479.
9. Ge et al. (2017) glutamatergiske fremskrivninger fra den entorhinale bark til dorsal dentate gyrus medieret kontekstinduceret genindførelse af heroinsøgning. Neuropsykofarmakologi. 42, 1860.
10. Gomes et al. (2017) Kemogenetik afsløret: DREADD belægning og aktivering via konverteret closapin. Videnskab. 357, 503.
11. Grutter et al. (2005) Molekylær tuning af hurtig gating i pentameriske ligand-gated ionkanaler. Proc Natl Acad sci USA. 102, 18207.
12. Jiang et al. (2018) kolinerge neuroner i medial septum opretholder angstlignende adfærd induceret af kronisk inflammatorisk smerte. Neurosci Lett. 671, 7.
13. Manvich et al. (2018) DREADD-agonisten metaboliseres omvendt til closapin og producerer closapinlignende interoceptive stimuluseffekter hos rotter og mus. Sci Rep. 8, 3840.
14. Rapanelli et al. (2017) Histaminmodulation af de basale ganglier kredsløb i udviklingen af patologisk pleje. Proc Natl Acad sci USA. 114, 6599.
15. Sasaki et al. (2011) farmakogenetisk modulering af oreksinneuroner ændrer søvn/vågenhedstilstande hos mus. PLoS One. 6, e20360.
16. et al. (2017) Cortico-accumbens regulering af tilgang-undgåelsesadfærd ændres af erfaring og kronisk smerte. Celle Rep. 19, 1522.
17. Thompson et al. (2018) DREADD agonist 21 (C21) er en effektiv agonist til muscarinbaserede DREADDs in vitro og in vivo. ACS Pharmacol Transl Sci. Epub foran print.
18. Vardy et al. (2016) en ny DREADD Letter multipleks kemogenetisk forhør af adfærd. Neuron. 86, 936.
19. Varela et al. (2016) sporing af den tidsafhængige rolle hippocampus i hukommelse tilbagekaldelse ved hjælp af DREADDs. PLoS One. 11, e0154374.
20. Jang et al. (2007) Multimodal hurtig optisk forhør af neurale kredsløb. Natur. 446, 633.

om Tocris Bioscience

Tocris Bioscience er din betroede leverandør af højtydende Biovidenskabelige reagenser, herunder receptoragonister & antagonister, ionkanalmodulatorer, fluorescerende prober & farvestoffer og sammensatte biblioteker. Vores katalog består af over 4.500 forskningsværktøjer, der dækker over 400 proteinmål, så du kan undersøge og modulere aktiviteten af adskillige signalveje og fysiologiske processer.

vi har arbejdet med forskere i over 30 år for at give life science-samfundet forskningsstandarder samt nye og innovative forskningsværktøjer. Vi forstår behovet for forskere til at stole på deres forskningsreagenser, hvorfor vi er forpligtet til at forsyne vores kunder med de højeste kvalitetsprodukter til rådighed, så du kan offentliggøre med tillid.

Tocris er en del af protein sciences division af Bio-Techne, som også omfatter de bedste i klasse mærker R & D Systems, Novus Biologicals, ProteinSimple og Advanced Cell Diagnostics. Bio-Techne har forenet disse mærker for at give forskere en komplet portefølje af forskningsreagenser, analyser og proteinplatforme. For mere information om Bio-Techne og dets mærker, besøg venligst bio-techne.com.

politik for sponsoreret indhold: News-Medical.net udgiver artikler og relateret indhold, der kan stamme fra kilder, hvor vi har eksisterende kommercielle relationer, forudsat at sådant indhold tilføjer værdi til den centrale redaktionelle etos af News-Medical.Net hvilket er at uddanne og informere besøgende interesseret i medicinsk forskning, videnskab, medicinsk udstyr og behandlinger.

citater