Een overzicht van Chemogenetica

door significante ontwikkelingen in neurowetenschapstechnieken, zijn onderzoekers nu in staat om selectief neurale systemen te exploiteren bij bewuste dieren, door middel van nieuwe methoden genaamd chemogenetica en optogenetica. Deze methoden helpen bij het verkennen van de neurale circuits onderliggende ingewikkelde gedrag in ziekte en gezondheid.

Chemogenetica en optogenetica vertonen overeenkomsten in hun benadering van het wijzigen van neuronale activiteit; bijvoorbeeld, in beide technieken, moeten ionenkanalen of gebouwde receptoren in bepaalde hersenengebieden, door plasmideuitdrukking of virale vectorsystemen worden geà ntroduceerd. In optogenetica, moeten bacteriële lichtgevoelige ionenkanalen worden uitgedrukt en vezeloptica moeten ook later worden gebruikt om neuronale activiteit in vivo of in vitro te remmen of te activeren (Boyden et al., 2005; Zhang et al., 2007).

hoewel deze methode een superieure temporele controle van de in vivo neuronale activiteit biedt, is het bekend dat het inherent invasief is en dat er cerebrale implantatie van glasvezel nodig is. Chemogenetica, aan de andere kant, heeft geen chronisch implantaat nodig, maar behoudt het potentieel om neuronale activiteit te controleren. Dit wordt bereikt door het toedienen van liganden, selectief voor ionenkanalen of gemanipuleerde receptoren, die anders inert zijn (Armbruster et al., 2007; Campbell & Marchant, 2018). Tabel 1 toont de belangrijkste kenmerken van chemogenetica en optogenetica.

Tabel 1. Chemogenetica vs optogenetica

geschiedenis en ontwikkeling

RASSLs

Chemogenetica verwijst naar het gebruik van ionenkanalen of genetisch gemanipuleerde receptoren en de selectieve liganden die deze receptoren activeren om de manipulatie van neuronale activiteit te vergemakkelijken. In deze context, zijn G-proteã ne gekoppelde receptoren (GPCRs) speerpunt geweest de ontwikkeling van chemogenetics, en het originele document die GPCRs definiëren die slechts aan synthetische ligands reageren werd gepubliceerd in 1998.

deze receptoren — bekend als receptoren die uitsluitend worden geactiveerd door een synthetisch Ligand (RASSLs) — werden effectief toegepast in vivo, bijvoorbeeld om de hartactiviteit op afstand te controleren. Ondanks dit feit, is de toepassing van RASSLs in neurowetenschappen beperkt door de endogene activiteit van receptoren in de afwezigheid van hun specifieke ligand en de farmacologische activiteit van liganden in vivo (Coward et al., 1998; Sternson & Roth, 2014).

DREADDs

de laatste jaren hebben zich de ontwikkeling voorgedaan van Designerreceptoren die uitsluitend door Designermedicijnen (Dreadds) worden geactiveerd. Gemuteerde menselijke muscarinereceptoren die alleen door inerte liganden werden gestimuleerd, waren de eerste DREADDS die werden ontwikkeld (Armbruster et al., 2007). Via verschillende rondes van mutagenese en screening tegen de biologisch inerte ligand Clozapine N-oxide (CNO) werden muscarinereceptoren in combinatie met de intracellulaire signaalweg van GAQ geïdentificeerd.

receptoren gekoppeld aan deze route kunnen neuronale activiteit activeren als reactie op CNO. Lage concentraties CNO activeren alle drie de GAQ-DREADDs — hM1Dq, hM3Dq en hM5Dq (Roth, 2016). Bovendien onthulde de zelfde studie dat hm4di en hM2Di neuronale activiteit via hun koppeling aan intracellular signalerende wegen van Gai kunnen remmen. Deze remmende DREADDs reageren ook op CNO (Armbruster et al., 2007; figuur 1).

figuur 1. Werkingsmechanisme van DREADD ligands. Binding van DREADD liganden aan Gaq-DREADDs veroorzaakt neuronaal vuren, terwijl binding aan Gai-DREADDs resulteert in remming van neuronale activiteit. Clozapine N-oxide dihydrochloride en DREADD agonist 21 zijn niet-selectieve muscarine DREADD agonisten en kunnen zo neuronale activiteit activeren of remmen, afhankelijk van de specifieke receptor die wordt uitgedrukt. Salvinorine B is selectief voor de Kord-receptor, die gekoppeld is aan Gai-signalering, waardoor de binding resulteert in remming van de neuronale activiteit. Beeld door: Tocris Bioscience

de binding tussen Gaq-DREADDs en CNO veroorzaakt de stimulatie van fosfolipase C (PLC), die de omzetting van fosfatidylinositol 4,5-bisfosfaat (PIP2) katalyseert tot 1,2-diacylglycerol (DAG) en inositol 1,4,5-trisfosfaat (IP3). Zowel dag als IP3 bezitten tweede boodschappersfuncties: laatstgenoemde bindt aan zijn receptoren om de versie van Ca2+ van intracellular opslag te veroorzaken, terwijl eerstgenoemde diverse vormen van eiwitkinase C (PKC) bevordert.

de binding tussen Gai-DREADDs en CNO veroorzaakt de remming van adenylylcyclase (AC), wat resulteert in verlaagde intracellulaire cAMP-spiegels. Aangezien zowel EPAC als eiwitkinase a (PKA) door cAMP worden geactiveerd, remt de actie van CNO bij Gai-DREADDs het EPAC en PKA stroomafwaarts signaleren (zie Figuur 1).

CNO is een metaboliet van clozapine; studies wijzen erop dat dit een bidirectionele conversie is en dat CNO reverse metabolism kan ondergaan tot clozapine. Wanneer CNO wordt toegediend in de concentraties die nodig zijn om DREADDs te activeren, kan clozapine vervolgens endogene receptoren activeren (Gomez et al., 2017). Clozapine — een atypisch antipsychoticum-werkt op een reeks doelen en leidt tot veel verschillende gedragseffecten.Ratten, muizen, mensen, niet-humane primaten en cavia ‘ s vertonen allen het reversibele metabolisme van CNO tot clozapine (Gomez et al., 2017; Manvich et al., 2018). Als resultaat van potentieel omgekeerd metabolisme van CNO, structuur-activiteit relatiestudies zijn geëvolueerd om stabiele, alternatieve liganden te ontwikkelen.

de krachtige DREADD ligand-DREADD agonist 21-werd aanvankelijk geanalyseerd op activiteit tegen hM3Dq. De goedgekeurde drug perlapine werd geà dentificeerd als krachtige hm3dq-agonist in hetzelfde onderzoek. In Japan is dit medicijn goedgekeurd als een kalmerend en hypnotisch (Chen et al., 2015). Zowel perlapine als DREADD agonist 21 bleken vervolgens krachtige agonisten van hM4Di, hM3Dq en hM1Dq te zijn met weinig tot geen off-target activiteit. Bovendien is DREADD agonist 21 in vivo getest, waarbij is aangetoond dat het hm3dq-expresserende neuronen activeert en de activiteit van hm4di-expresserende neuronen remt (Thompson et al., 2018).

na de ontwikkeling van muscarine DREADDs werd een remmende DREADD gecreëerd vanuit de κ-opioïdreceptor (KORD). Activering van deze remmende DREADD wordt bereikt door binding van de ligand Salvinorine B, resulterend in de remming van neuronale activiteit door Gai-signalering. Om bidirectionele controle van neuronale activiteit toe te staan, kan KORD naast worden gebruikt, het activeren van DREADDs zoals Hm3dq (Vardy et al., 2015).

sommige gemeenschappelijke kenmerken in alle DREADDs maken ze geschikt voor toepassing in neurowetenschappelijke experimenten. Ten eerste, tonen DREADDs geen reactie op endogene ligands wegens genetische veranderingen binnen hun ligandbandplaatsen die band elimineren, implicerend dat om het even welke activiteit van DREADD slechts wegens de toepassingen van specifieke DREADD ligand zal zijn. Ten tweede heeft in vitro of in vivo expressie van DREADDs geen invloed op basislijngedrag, neuronale functie of cellulaire activiteit, vóór de toevoeging van het DREADD ligand (Sternson & Roth, 2014).

PSAMs/PSEMs

DREADDs en Rassl ’s zijn gebaseerd op GPCR’ s, maar gemodificeerde ionenkanalen met de naam Pharmacologisch selectieve Actuatormodules (PSAMs) zijn ook gebruikt voor het moduleren van de activiteit van neuronen. PSAM ‘ s zijn gebaseerd op studies die erop wijzen dat het mogelijk is om het extracellulaire ligandbindingsdomein van de α7 nicotine ACh-receptor (nAChR) te transplanteren op het ionenporiedomein van andere ligand-gated ionenkanalen. Wanneer het α7 nachr-ligandbindend domein wordt gesplitst met het ionenporiedomein van de 5-HT3-receptor, wordt een ionenkanaal met α7 nachr-farmacologie geproduceerd, maar met 5-HT3-kationgeleidingseigenschappen (Eiselé et al., 1993).Het verbinden van het α7 nachr ligand bindingsdomein met het ionenporiëndomein van de chloride selectieve glycine receptor (GlyR) produceert eveneens een ACh responsief chloridekanaal (Grutter et al., 2005). Selectieve mutatie van het α7 nachr-ligandbindingsdomein genereert bijgevolg PSAM-ionenkanalen, die geen ACh-binding vertonen, maar nog steeds selectief worden gebonden door verbindingen die farmacologisch selectieve Effectormoleculen (Psems) worden genoemd.

PSAMs of chimerische ionenkanalen die regulatie van anion-of kationgeleiding mogelijk maken, zijn geproduceerd door de combinatie van het gemuteerde α7 nachr ligandbindend domein (met twee of één mutaties) met het ionenporiedomein van verschillende gevarieerde ligand-gated ionenkanalen. Dergelijke PSAMCHIMERAS worden genoemd gebaseerd op hun veranderingen evenals verbonden ionenporiëndomein-PSAML141F, Y115F-GlyR, PSAML141F-GlyR,PSAML141F, Y115F-GABAC,en PSAML141F, Y115F-5-HT3. Activering van neuronale activiteit wordt mogelijk gemaakt door 5-HT3-bevattende chimera ‘s, terwijl GABAC-en GlyR-bevattende chimera’ s remmend zijn (zie Figuur 2) (Magnus et al., 2011; Sternson & Roth, 2014).

Figuur 2. Werkingsmechanisme van PSEMs. Activerende PSAMs zijn samengesteld uit een gemuteerd α7 nachr ligandbindend domein dat is verbonden met het ionenporiedomein van een kationselectief kanaal, zoals 5-HT3. Binding van PSEMs aan activerende PSAMs resulteert in een instroom van kationen en activering van neuronale activiteit. Remmende PSAMs zijn samengesteld uit een gemuteerd α7 nachr ligandbindend domein dat is verbonden met het ion poredomein van een anion-selectief kanaal, zoals GlyR. Binding van PSEMs aan remmende PSAMs resulteert in een instroom van anionen en remming van neuronale activiteit. Beeld door: Tocris Bioscience

Scientific reviews for further reading

• Campbell & Marchant (2018) The use of chemogenetics in behavioral neuroscience: receptor variants, targeting approaches and caveats. Br J Pharmacol. 175, 994.
• Roth (2016) DREADDs for neurowetenschappers. Neuron. 89, 683.
• Magnus et al. (2011) Chemical and genetic engineering of selective ligand-ion channel interactions. Wetenschap. 333, 1292.
• Sternson & Roth (2014) Chemogenetic tools to interrogate brain functions. Annu Rev Neurol. 37, 387.

1. Armbruster et al. (2007) evoluerend het slot om de sleutel te passen om tot een familie van G eiwit-gekoppelde receptoren te leiden die krachtig door een inert ligand worden geactiveerd. Proc Natl Acad Sci USA. 104, 5163.
2. Atasoy et al. (2012) Deconstruction of a neural circuit for hunger. Natuur. 488, 172.
3. Boyden et al. (2005) milliseconde-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat Neurosci. 8, 1263.
4. Bradley & Tobin (2016) Design of next-generation G protein-coupled receptor drugs: linking novel pharmacology and in vivo animal models. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 56, 535.
5. Bradley et al. (2018) het gebruik van chemogenetics benaderingen om de fysiologische rollen van muscarinic acetylcholinereceptoren in het centrale zenuwstelsel te bestuderen. Neurofarmacologie. 136, 421.
6. Chen et al. (2015) de eerste structuur-activiteit relatie studies voor designer receptoren uitsluitend geactiveerd door designer drugs. ACS Chem neurowetenschappen. 6, 476.
7. Coward et al. (1998) controle van signalering met een specifiek ontworpen Gi-gekoppelde receptor. Proc Natl Acad Sci USA. 95, 352.
8. Eiselé et al. (1993) Chimaerische nicotine-serotonerge receptor combineert ligandbinding en kanaalspecificiteit. Natuur. 366, 479.
9. Ge et al. (2017) glutamaterge projecties van de entorhinale cortex naar dorsale dentaat gyrus gemedieerde context-geïnduceerde herstel van heroïne zoeken. Neuropsychofarmacologie. 42, 1860.
10. Gomez et al. (2017) Chemogenetics onthuld: DREADD bezetting en activering via geconverteerde clozapine. Wetenschap. 357, 503.
11. Grutter et al. (2005) Molecular tuning of fast gating in pentameric ligand-gated ion channels. Proc Natl Acad Sci USA. 102, 18207.
12. Jiang et al. (2018) cholinerge neuronen in het mediale septum handhaven angst-achtig gedrag veroorzaakt door chronische ontstekingspijn. Neurosci Lett. 671, 7.
13. Manvich et al. (2018) de DREADD agonist clozapine N-oxide (CNO) wordt omgekeerd gemetaboliseerd tot clozapine en produceert clozapine-achtige interoceptieve stimuluseffecten bij ratten en muizen. Sci Rep. 8, 3840.
14. Rapanelli et al. (2017) Histamine modulatie van de basale ganglia circuits in de ontwikkeling van pathologische verzorging. Proc Natl Acad Sci USA. 114, 6599.
15. Sasaki et al. (2011) Pharmacogenetische modulatie van orexine neuronen verandert slaap/waakzaamheid Staten in muizen. PLoS ÉÉN. 6, e20360.
16. Schwartz et al. (2017) Cortico-accumbens regulatie van aanpak-vermijden gedrag wordt gewijzigd door ervaring en chronische pijn. Cel Rapport 19, 1522.
17. Thompson et al. (2018) DREADD agonist 21 (C21) is een effectieve agonist voor muscarinic-gebaseerde DREADDs in vitro en in vivo. ACS Pharmacol Transl Sci. Epub voor print.
18. Vardy et al. (2016) een nieuwe DREADD faciliteert de multiplex chemogenetische ondervraging van gedrag. Neuron. 86, 936.
19. Varela et al. (2016) het volgen van de tijd-afhankelijke rol van de hippocampus in geheugenherinnering gebruikend DREADDs. PLoS ÉÉN. 11, e0154374.
20. Zhang et al. (2007) Multimodal fast optical interrogation of neural Circuits. Natuur. 446, 633.

over Tocris Bioscience

Tocris Bioscience is uw vertrouwde leverancier van hoogwaardige biowetenschappelijke reagentia, waaronder receptoragonisten & antagonisten, enzymremmers, ionenkanaalmodulatoren, fluorescerende sondes & kleurstoffen en samengestelde bibliotheken. Onze catalogus bestaat uit meer dan 4.500 onderzoekstools, die meer dan 400 eiwitdoelen dekken, zodat u de activiteit van talrijke signaalwegen en fysiologische processen kunt onderzoeken en moduleren.

we werken al meer dan 30 jaar met wetenschappers om de biowetenschappelijke gemeenschap onderzoeksstandaarden en nieuwe en innovatieve onderzoeksinstrumenten te bieden. We begrijpen de noodzaak voor onderzoekers om hun onderzoek reagentia vertrouwen, dat is de reden waarom we zijn toegewijd aan het leveren van onze klanten met de hoogste kwaliteit producten beschikbaar, zodat u kunt publiceren met vertrouwen.Tocris maakt deel uit van de afdeling Eiwitwetenschappen van Bio-Techne, die ook de beste in klasse merken R&D Systems, Novus Biologicals, ProteinSimple en Advanced Cell Diagnostics omvat. Bio-Techne heeft deze merken Verenigd om onderzoekers van een volledige portefeuille van onderzoekreagentia, analyses, en eiwitplatforms te voorzien. Meer informatie over Bio-Techne en haar merken vindt u op: bio-techne.com.

gesponsorde inhoud beleid: News-Medical.net publiceert artikelen en gerelateerde inhoud die kunnen worden afgeleid uit bronnen waar we bestaande commerciële relaties hebben, op voorwaarde dat dergelijke inhoud waarde toevoegt aan de kern redactionele ethos van News-Medical.Net dat is het opleiden en informeren van bezoekers van de site die geïnteresseerd zijn in medisch onderzoek, wetenschap, medische hulpmiddelen en behandelingen.

citaten