A Kemogenetika áttekintése

az idegtudományi technikák jelentős fejlődésének köszönhetően a kutatók képesek szelektíven kihasználni a tudatos állatok idegrendszerét a kemogenetikának és az optogenetikának nevezett új módszerek révén. Ezek a módszerek segítenek a betegségek és az egészség bonyolult viselkedésének alapjául szolgáló idegi áramkörök feltárásában.

a Kemogenetika és az optogenetika hasonlóságot mutat a neuronális aktivitás módosításának megközelítésében; például mindkét technikában ioncsatornákat vagy módosított receptorokat kell bevezetni bizonyos agyrégiókba plazmid expresszió vagy vírusvektor rendszerek révén. Az optogenetikában a bakteriális fényérzékeny ioncsatornákat ki kell fejezni, és ezt követően száloptikát kell használni a neuronális aktivitás in vivo vagy in vitro gátlására vagy aktiválására (Boyden et al., 2005; Zhang et al., 2007).

bár ez a módszer az in vivo neuronális aktivitás jobb időbeli szabályozását kínálja, ismert, hogy eredendően invazív, és száloptika agyi beültetését igényli. A kemogenetikának viszont nincs szüksége krónikus implantátumra, de fenntartja a neuronális aktivitás szabályozásának lehetőségét. Ezt úgy érik el, hogy ligandumokat adnak be, amelyek szelektívek az ioncsatornákra vagy a módosított receptorokra, amelyek egyébként inertek (Armbruster et al., 2007; Campbell & Marchant, 2018). Az 1. táblázat a kemogenetika és az optogenetika főbb jellemzőit mutatja be.

1.táblázat. Kemogenetika vs optogenetika

történelem és fejlődés

RASSLs

a Kemogenetika az ioncsatornák vagy géntechnológiával módosított receptorok és a szelektív ligandumok használatát jelenti, amelyek aktiválják ezeket a receptorokat, hogy megkönnyítsék a neuronális aktivitás manipulálását. Ebben az összefüggésben a G-protein kapcsolt receptorok (Gpcr) élen jártak a kemogenetika fejlesztésében, és az eredeti tanulmány, amely csak a szintetikus ligandumokra reagáló Gpcr-eket definiálta, 1998-ban jelent meg.

ezeket a receptorokat — amelyeket kizárólag szintetikus ligandum (Rassls) által aktivált receptoroknak neveznek-hatékonyan alkalmazták in vivo, például a szívműködés távvezérlésére. Ennek ellenére a rassl-ek alkalmazását az idegtudományban korlátozta a receptorok endogén aktivitása sajátos ligandumuk hiányában, valamint a ligandumok in vivo farmakológiai aktivitása (Coward et al., 1998; Sternson & Roth, 2014).

DREADDs

az utóbbi években olyan Designer receptorok alakultak ki, amelyeket kizárólag Designer drogok (DREADDS) aktiválnak. A csak inert ligandumok által stimulált mutált humán muszkarin receptorok voltak az első DREADD-k, amelyeket kifejlesztettek (Armbruster et al., 2007). Több mutagenezis és a biológiailag inert ligandum klozapin N-oxid (CNO) elleni szűrés során a gaq intracelluláris jelátviteli útvonalához kapcsolt muszkarin receptorokat azonosítottak.

az ehhez az útvonalhoz kapcsolt receptorok képesek aktiválni a neuronális aktivitást a CNO-ra adott válaszként. A CNO alacsony koncentrációja aktiválja mind a három Gaq-Dreadd-t-hM1Dq, hM3Dq és hM5Dq (Roth, 2016). Sőt, ugyanez a tanulmány kimutatta, hogy a hM4Di és a hM2Di gátolhatja a neuronális aktivitást a GAI intracelluláris jelátviteli útvonalakhoz való kapcsolódásuk révén. Ezek a gátló rettegések a CNO-ra is reagálnak (Armbruster et al., 2007; 1. ábra).

1.ábra. A DREADD ligandumok hatásmechanizmusa. A DREADD ligandumok kötődése a Gaq-DREADDs-hez idegsejtek tüzelését idézi elő, míg a GAI-DREADDs-hez való kötődés az idegsejtek aktivitásának gátlását eredményezi. A klozapin N-oxid-dihidroklorid és a DREADD agonista 21 nem szelektív muszkarinos DREADD agonisták, így aktiválhatják vagy gátolhatják a neuronális aktivitást, az expresszált specifikus receptortól függően. A Salvinorin B szelektív A KORD receptorra, amely a GaI jelátvitelhez kapcsolódik, következésképpen a kötés az idegsejtek aktivitásának gátlását eredményezi. Kép jóváírása: Tocris Bioscience

a Gaq-DREADDs és a CNO közötti kötés a foszfolipáz C (PLC) stimulálását okozza, amely katalizálja a foszfatidilinozitol 4,5-biszfoszfát (PIP2) átalakulását 1,2-diacil-glicerin (DAG) és inozitol 1,4,5-triszfoszfát (IP3). Mind a DAG, mind az IP3 második hírvivő funkcióval rendelkezik: ez utóbbi receptoraihoz kötődik, hogy kiváltsa a Ca felszabadulását2+ az intracelluláris raktárakból, míg az előbbi a protein-kináz C (PKC) különböző formáit stimulálja.

a GAI-DREADDs és a CNO közötti kötés az adenilil-cikláz (AC) gátlását okozza, ami csökkenti az intracelluláris cAMP szintet. Mivel a Camp mind az EPAC-t, mind a protein-kináz A-t (PKA) aktiválja, a CNO hatása a Gai-DREADDs-nél gátolja az EPAC és a PKA downstream jelátvitelt (lásd 1.ábra).

a CNO a klozapin metabolitja, a vizsgálatok azt mutatják, hogy ez egy kétirányú átalakulás, és hogy a CNO fordított metabolizmuson megy keresztül klozapinná. Amikor a CNO-t a DREADDs aktiválásához szükséges koncentrációban adják be, a klozapin később képes aktiválni az endogén receptorokat (Gomez et al., 2017). A klozapin-egy atipikus antipszichotikum-számos célponton hat, és számos különböző viselkedési hatáshoz vezet.

patkányok, egerek, emberek, főemlősök és tengerimalacok mind mutatják a CNO reverzibilis metabolizmusát klozapinná (Gomez et al., 2017; Manvich et al., 2018). A CNO potenciális fordított metabolizmusának eredményeként a szerkezet-aktivitás kapcsolat vizsgálatok stabil, alternatív ligandumok kifejlesztésére fejlődtek ki.

az erős DREADD ligandumot — a DREADD agonist 21 — kezdetben elemezték a hm3dq elleni aktivitás szempontjából. A jóváhagyott perlapin hatóanyagot erős hm3dq agonistaként azonosították ugyanabban a kutatásban. Japánban ezt a gyógyszert nyugtató és hipnotikus gyógyszerként engedélyezték (Chen et al., 2015). Mind a perlapin, mind a DREADD agonista 21 később kimutatták, hogy a hm4di, a hM3Dq és a hM1Dq hatékony agonistái, kevés vagy semmilyen off-target aktivitással. Ezenkívül a DREADD agonist 21-et in vivo tesztelték, amelyben kimutatták, hogy aktiválja a hM3Dq-expresszáló neuronokat és gátolja a hM4Di-expresszáló neuronok aktivitását (Thompson et al., 2018).

a muszkarinos Dreadd kifejlesztését követően gátló DREADD jött létre az A-ból (Kord) – opioid receptor. Ennek a gátló rettegésnek az aktiválása a Szalvinorin B ligandum kötődésével érhető el, ami a neuronális aktivitás gátlását eredményezi a Gai jelátvitel révén. A neuronális aktivitás kétirányú szabályozásának lehetővé tétele érdekében A KORD felhasználható, aktiválva a Dreadd-ket, mint például a hM3Dq (Vardy et al., 2015).

az összes raszta néhány közös jellemzője alkalmassá teszi őket idegtudományi kísérletekben való alkalmazásra. Először is, a Dreadd – k nem mutatnak választ az endogén ligandumokra a ligandumkötő helyükön belüli genetikai mutációk miatt, amelyek kiküszöbölik a kötődést, ami azt jelenti, hogy a DREADD bármilyen aktivitása csak a specifikus DREADD ligandum alkalmazása miatt következik be. Másodszor, a DREADDs in vitro vagy in vivo expressziója nincs hatással a kiindulási viselkedésre, a neuronális funkcióra vagy a sejtaktivitásra a DREADD ligandum hozzáadása előtt (Sternson & Roth, 2014).

PSAM-ok/psem-ek

míg a Dreadd-k és a Rassl-ek Gpcr-Eken alapulnak, a Pharmacologically Selective Actuator Modules (PSAM) nevű módosított ioncsatornákat is használták a neuronok aktivitásának modulálására. A PSAM-ok olyan vizsgálatokon alapulnak, amelyek azt mutatják, hogy lehetséges átültetni az extracelluláris ligandumkötő domént a ..7 nikotinos ACH receptor (nAChR) más ligandumhoz kötött ioncsatornák ion pórus doménjére. Amikor a 6-7 nachr ligandumkötő domént összekapcsolják az 5-HT3 receptor ion pórus doménjével, akkor egy ioncsatornát állítanak elő, amely rendelkezik a 7-7 nachr farmakológiával, de 5-HT3 kationvezetési tulajdonságokkal rendelkezik (Eisel 6 et al., 1993).

Hasonlóképpen, a (Z) nachr ligandumkötő domén összekapcsolása a klorid-szelektív glicin receptor (GlyR) ionpórus doménjével ACH-re reagáló kloridcsatornát eredményez (Grutter et al., 2005). A nachr ligandumkötő domén szelektív mutációja következésképpen PSAM ioncsatornákat generál, amelyek nem mutatnak ACh kötődést, de még mindig szelektíven kötődnek az úgynevezett vegyületek farmakológiailag szelektív effektor molekulák (psem-ek).

PSAM-ok vagy kiméra ioncsatornák, amelyek lehetővé teszik az anion vagy a kation vezetőképességének szabályozását, a mutált (két vagy egy mutációt hordozó) nachr ligandumkötő domén kombinációjával jöttek létre több változatos ligandumhoz kötött ioncsatorna ion pórus doménjével. Az ilyen PSAM kimérákat mutációik,valamint a kapcsolódó ion pórus domén — PSAML141F, Y115F-GlyR, PSAML141F-GlyR,PSAML141F, Y115F-GABAC és PSAML141F,Y115F-5-HT3-alapján nevezik el. A neuronális aktivitás aktiválását az 5-HT3-tartalmú kimérák teszik lehetővé, míg a GABAC – és GlyR-tartalmú kimérák gátló hatásúak (lásd 2.ábra) (Magnus et al., 2011; Sternson & Roth, 2014).

2.ábra. A psem-ek hatásmechanizmusa. Az aktiváló PSAM-ok egy mutáltból állnak 67 nachr ligandumkötő domén összekapcsolva egy kationszelektív csatorna ion pórus doménjével, például 5-HT3. A psem-ek kötődése a PSAM-ok aktiválásához kationok beáramlását és a neuronális aktivitás aktiválódását eredményezi. A gátló PSAM-ok egy mutáltból állnak 67 nachr ligandumkötő domén, amely egy anionszelektív csatorna ionporedomainjével van összekötve, például GlyR. A psem-ek gátló PSAM-okhoz való kötődése anionok beáramlását és a neuronális aktivitás gátlását eredményezi. Kép jóváírás: Tocris Bioscience

tudományos vélemények további olvasmányokhoz

• Campbell & Marchant (2018) a kemogenetika használata a viselkedési idegtudományban: receptor variánsok, célzási megközelítések és figyelmeztetések. Br J Pharmacol. 175, 994.
• Roth (2016) DREADDs az idegtudósok számára. Neuron. 89, 683.
• Magnus et al. (2011) a szelektív ligandum-ioncsatorna kölcsönhatások kémiai és géntechnológiája. Tudomány. 333, 1292.
• Sternson & Roth (2014) Kemogenetikai eszközök az agyi funkciók kihallgatására. Annu Rev Neurol. 37, 387.

1. Armbruster et al. (2007) a zár kialakítása, hogy illeszkedjen a kulcshoz, hogy létrehozzon egy inert ligandum által hatékonyan aktivált G-fehérjéhez kapcsolt receptorok családját. Proc Natl Acad Sci USA. 104, 5163.
2. Atasoy et al. (2012) az éhség idegi áramkörének dekonstrukciója. Természet. 488, 172.
3. Boyden et al. (2005) milliszekundum-időskála, az idegi aktivitás genetikailag célzott optikai vezérlése. Nat Neurosci. 8, 1263.
4. Bradley & Tobin (2016) A következő generációs G fehérjéhez kapcsolt receptor gyógyszerek tervezése: új farmakológia és in vivo állatmodellek összekapcsolása. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 56, 535.
5. Bradley et al. (2018) a kemogenetikai megközelítések alkalmazása a muszkarin acetilkolin receptorok fiziológiai szerepeinek tanulmányozására a központi idegrendszerben. Neurofarmakológia. 136, 421.
6. Chen et al. (2015) az első szerkezet-aktivitás kapcsolat vizsgálatok designer receptorok kizárólag által aktivált designer gyógyszerek. ACS Chem Neuroscience. 6, 476.
7. Coward et al. (1998) a jelátvitel vezérlése egy speciálisan tervezett Gi-kapcsolt receptorral. Proc Natl Acad Sci USA. 95, 352.
8. Eisel GmbH et al. (1993) a Chimaeric nikotin-szerotonerg receptor egyesíti a ligandumkötést és a csatorna sajátosságait. Természet. 366, 479.
9. Ge et al. (2017) Glutamaterg vetületek az entorhinalis kéregtől a dorsalis dentate gyrusig közvetítették a heroinkeresés kontextus által kiváltott visszaállítását. Neuropszichofarmakológia. 42, 1860.
10. Gomez et al. (2017) chemogenetics revealed: DREADD elfoglaltság és aktiválás átalakított klozapinon keresztül. Tudomány. 357, 503.
11. Grutter et al. (2005) a gyors kapuzás molekuláris hangolása pentamer ligandummal ellátott ioncsatornákban. Proc Natl Acad Sci USA. 102, 18207.
12. Jiang et al. (2018) a mediális septumban lévő kolinerg neuronok fenntartják a krónikus gyulladásos fájdalom által kiváltott szorongásszerű viselkedést. Neurosci Lett. 671, 7.
13. Manvich et al. (2018) A DREADD agonista klozapin N-oxid (CNO) fordított metabolizálódik klozapinná, és klozapin-szerű interoceptív inger hatásokat eredményez patkányokban és egerekben. Sci Rep. 8, 3840.
14. Rapanelli et al. (2017) A bazális ganglionok áramkörének hisztamin modulációja a kóros ápolás kialakulásában. Proc Natl Acad Sci USA. 114, 6599.
15. Sasaki et al. (2011) az orexin neuronok farmakogenetikai modulációja megváltoztatja az egerek alvás/ébrenlét állapotát. PLoS One. 6, e20360.
16. Schwartz et al. (2017) Cortico-accumbens a megközelítés-elkerülési viselkedés szabályozását a tapasztalat és a krónikus fájdalom módosítja. 19-Es Szám, 1522.
17. Thompson et al. (2018) A DREADD agonist 21 (C21) hatékony agonista a muszkarin alapú Dreadd-k számára in vitro és in vivo. ACS Pharmacol Transl Sci. Epub nyomtatás előtt.
18. Vardy et al. (2016) egy új raszta megkönnyíti a viselkedés multiplex kemogenetikai kihallgatását. Neuron. 86, 936.
19. Varela et al. (2016) a hippokampusz időfüggő szerepének nyomon követése a memória visszahívásában DREADDs segítségével. PLoS One. 11, e0154374.
20. Zhang et al. (2007) a neurális áramkörök multimodális gyors optikai kihallgatása. Természet. 446, 633.

a Tocris Bioscience-ről

a Tocris Bioscience a nagy teljesítményű élettudományi reagensek megbízható szállítója, beleértve a receptor agonistákat & antagonisták, enzimgátlók, ioncsatorna modulátorok, fluoreszcens szondák & színezékek és összetett könyvtárak. Katalógusunk több mint 4500 kutatási eszközt tartalmaz, amelyek több mint 400 fehérje célpontot fednek le, lehetővé téve számos jelátviteli út és fiziológiai folyamat aktivitásának vizsgálatát és modulálását.

több mint 30 éve dolgozunk tudósokkal, hogy az élettudományi közösség számára kutatási szabványokat, valamint új és innovatív kutatási eszközöket biztosítsunk. Megértjük annak szükségességét, hogy a kutatók bízzanak kutatási reagenseikben, ezért elkötelezettek vagyunk amellett, hogy ügyfeleinknek a rendelkezésre álló legmagasabb minőségű termékeket szállítsuk, így bizalommal tehet közzé.

a Tocris a Bio-Techne protein sciences divíziójának része, amely magában foglalja az osztály legjobb márkáit is R& D Systems, Novus Biologicals, ProteinSimple és Advanced Cell Diagnostics. A Bio-Techne egyesítette ezeket a márkákat, hogy a kutatóknak kutatási reagensek, vizsgálatok és fehérje platformok teljes portfólióját biztosítsák. További információ a Bio-Techne és a márkák, kérjük, látogasson el bio-techne.com.

szponzorált tartalom politika: News-Medical.net olyan cikkeket és kapcsolódó tartalmakat tesz közzé, amelyek olyan forrásokból származhatnak, ahol meglévő kereskedelmi kapcsolataink vannak, feltéve, hogy az ilyen tartalom hozzáadott értéket képvisel a News-Medical.Net amely az orvosi kutatás, a tudomány, az orvostechnikai eszközök és a kezelések iránt érdeklődő látogatók oktatása és tájékoztatása.

Idézetek