化学遺伝学の概要

によるスポンサーコンテンツ神経科学技術の重要な発展により、研究者は化学遺伝学と光遺伝学と呼ばれる新興の方法 これらの方法は、病気や健康の複雑な行動の根底にある神経回路を探索するのに役立ちます。

化学遺伝学と光遺伝学は、神経活動を修飾する彼らのアプローチに類似性を示しています; 例えば、両方の技術では、イオンチャネルまたは操作された受容体は、プラスミド発現またはウイルスベクター系を介して、特定の脳領域に導入されな 光遺伝学では、細菌の光感受性イオンチャネルを発現させなければならず、続いて、ｉｎ ｖｉｖｏまたはｉｎ ｖｉｔｒｏで神経活性を阻害または活性化するために光ファイバも使用されなければならない（Ｂｏｙｄｅｎ ｅ ｔ ａ ｌ． ら、２ ０ ０ ５；Ｚｈａｎｇ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2007).

この方法はin vivo神経活動の優れた時間制御を提供しますが、本質的に侵襲的であることが知られており、光ファイバーの脳移植が必要です。 化学遺伝学は、一方では、慢性のインプラントを必要としないが、神経活動を制御する潜在性を維持する。 これは、そうでなければ不活性であるイオンチャネルまたは操作された受容体に対して選択的なリガンドを投与することによって達成される(Armbruster et al. ら，２ ０ ０ ７年；Ｃａｍｂｅｌｌ＜１ ２ ７ ５＞Ｍａｒｃｈａｎｔ，２ ０ １ ８年）。 表1は、化学遺伝学と光遺伝学の主な特徴を示しています。

表1. 化学遺伝学対光遺伝学

歴史と開発

RASSLs

化学遺伝学とは、イオンチャネルまたは遺伝子操作された受容体と、それらの受容体を活性化する選択的リガンドを使用して、神経活動の操作を容易にすることを指します。 この文脈では、gタンパク質共役受容体（Gpcr）は、化学遺伝学の開発を先導しており、合成リガンドにのみ反応するGpcrを定義する元の論文は1998年に出版された。

これらの受容体は、合成リガンド（Rassl）のみによって活性化される受容体として知られており、例えば心臓活動を遠隔制御するためにin vivoで効果的に この事実にもかかわらず、神経科学におけるＲａｓｓｌの適用は、それらの特定のリガンドの不在下での受容体の内因性活性およびｉｎ ｖｉｖｏでのリガンドの薬理学 ることを示唆しています。

DREADDs

近年、デザイナードラッグ（DREADDS）によって排他的に活性化されるデザイナー受容体の開発が見られている。 不活性リガンドのみによって刺激された変異したヒトムスカリン受容体は、最初に開発されたＤＲＥＡＤＤＳであった（Ａｒｍｂｒｕｓｔｅｒ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2007). 生物学的に不活性なリガンドクロザピンＮ-オキシド（ＣＮＯ）に対する変異誘発とスクリーニングのいくつかのラウンドを通じて，Ｇａｑ細胞内シグナル伝達経路に結合したムスカリン受容体を同定した。

この経路に結合した受容体は、CNOに応答して神経活動を活性化することができる。 低濃度のCNOは、3つのGaq-DREADDs—hM1DQ、hM3DQ、およびhM5DQすべてを活性化する（Roth、2016）。 さらに、同じ研究は、hm4diとhm2diがGai細胞内シグナル伝達経路への結合を介して神経活性を阻害することができることを明らかにした。 これらの抑制的な恐怖はまた、ＣＮＯに応答する（Ａｒｍｂｒｕｓｔｅｒ ｅ ｔ ａ ｌ．,2007;図1).

図1. DREADD配位子の作用機序。 Gaq-DREADDsへのDREADDリガンドの結合は神経細胞の発火を引き起こし、Gai-DREADDsへの結合は神経細胞の活性を阻害する。 クロザピンN-オキシド二塩酸塩およびDREADDアゴニスト21は、非選択的ムスカリンDREADDアゴニストであり、したがって、発現される特定の受容体に応じて、神経活動を活性化または阻害することができる。 Salvinorin BはGaIシグナル伝達につながれるKORDの受容器のために選択的従って神経の活動の阻止の結果を結合します。 画像クレジット: Tocris Bioscience

Gaq-DREADDsとCNOの結合は、ホスファチジルイノシトール4,5-ビスリン酸（PIP2）から1,2-ジアシルグリセロール（DAG）およびイノシトール1,4,5-三リン酸（IP3）への変換を触媒するホスホリパーゼC（PLC）の刺激を引き起こす。 DAGおよびIP3は両方第二メッセンジャー機能を所有しています:前が蛋白質のキナーゼC(PKC)のさまざまな形態を刺激する一方、細胞内の店からのCa2+の解放を誘発するために後者は受容器に結合します。

Gai-DREADDsとCNOとの結合によりアデニリルシクラーゼ(AC)が阻害され、細胞内cAMPレベルが低下する。 EPACとプロテインキナーゼA(PKA)の両方がcAMPによって活性化されるため、Gai-DREADDsでのCNOの作用はEPACとpka下流のシグナル伝達を阻害する(図1参照)。

CNOはクロザピンの代謝産物であり、これが双方向変換であり、CNOがクロザピンに逆代謝を受けることができることを研究が示している。 ＣＮＯがＤｒｅａｄｄｓを活性化するのに必要な濃度で投与される場合、クロザピンは、続いて内因性受容体を活性化することができる（Ｇｏｍｅｚ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2017). 非定型抗精神病薬であるクロザピンは、一連の標的に作用し、多くの異なる行動効果をもたらす。

ラット、マウス、ヒト、非ヒト霊長類、およびモルモットはすべて、クロザピンに対するCNOの可逆的代謝を示す（Gomez et al. ら、２ ０ １ ７；Ｍａｎｖｉｃｈ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2018). CNOの潜在的な逆代謝の結果として、構造活性関係の研究は、安定した、代替リガンドを開発するために進化してきました。

強力なDREADDリガンド—DREADDアゴニスト21—は、最初にhm3dqに対する活性について分析されました。 承認された薬剤perlapineは同じ研究の強力なhm3dqのアゴニストとして識別されました。 日本では、この薬は鎮静剤および催眠剤として承認されています（Chen et al., 2015). PerlapineおよびDREADDのアゴニスト21は両方hm4di、hm3dqおよび非ターゲット活動に少しのhm1dqの有効なアゴニストであるために続いて示されていました。 さらに、ＤＲＥＡＤＤアゴニスト２ １は、ｉｎ ｖｉｖｏで試験されており、ｈｍ３ＤＱ発現ニューロンを活性化し、ｈＭ４ＤＩ発現ニューロンの活性を阻害することが実証されている（Ｔｈｏｍｐｓｏｎ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2018).

ムスカリン性DREADDsの開発に続いて、γ-オピオイド受容体（KORD）から阻害性DREADDが作成されました。 この抑制的なDREADDの活発化はGaiシグナル伝達を通した神経の活動の阻止に終って配位子Salvinorin Bの結合によって、達成されます。 神経活動の双方向制御を可能にするために、ＫＯＲＤは、ｈＭ３ＤＱのようなＤｒｅａｄｄｓを活性化すると共に利用することができる（Ｖａｒｄｙ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2015).

すべての恐怖のいくつかの共通の特徴は、それらを神経科学実験への応用に適しています。 第一に、DREADDsは、結合を排除するリガンド結合部位内の遺伝的変異のために内因性リガンドに対する応答を示さず、DREADDの任意の活性は、特定のDREADDリガンドの適用のためにのみであることを意味する。 第二に、Ｄｒｅａｄｄのｉｎ ｖｉｔｒｏまたはｉｎ ｖｉｖｏでの発現は、ｄｒｅａｄｄリガンドの添加前に、ベースラインの行動、神経機能、または細胞活性に何ら影響を及ぼさない（Ｓｔｅｒｎｓｏｎ＜１ ２ ７ ５＞Ｒｏｔｈ、２ ０ １ ４）。

PSAMs/PSEMs

DREADDsとRasslはGpcrに基づいていますが、Pharmacologically Selective Actuator Modules(PSAMs)という名前の変更されたイオンチャネルは、ニューロンの活動を調節するためにも使用されています。 PSAMsは、α7ニコチンACh受容体（nAChR）の細胞外リガンド結合ドメインを他のリガンドゲートイオンチャネルのイオン孔ドメインに移植することが可能である Α7nAChRリガンド結合ドメインが5-HT3受容体のイオン孔ドメインとスプライシングされると、α7nAChR薬理学を有するが5-HT3カチオン伝導特性を有するイオンチャネルが生成される（Eiselé et al., 1993).

同様に、α7nAChRリガンド結合ドメインと塩化物選択的グリシン受容体（GlyR）のイオン孔ドメインとのスプライシングは、ACh応答性の塩化物チャネルを産生する（Grutter et al., 2005). Α7nAChRリガンド結合ドメインの選択的変異は、結果的に任意のACh結合を示さないが、まだ選択的に薬理学的に選択的エフェクター分子（PSEMs）と呼ばれる化合

psamsまたは陰イオンまたは陽イオンのコンダクタンスの調節を可能にするキメライオンチャネルは、変異したα7nAChRリガンド結合ドメイン（二つまたは一つの変異を有する）と、いくつかの様々なリガンドゲートイオンチャネルのイオン細孔ドメインの組み合わせによって生成されている。 そのようなＰＳＡＭキメラは、それらの変異ならびに連結イオン細孔ドメイン−ＰＳＡＭＬ１ ４ １Ｆ、Ｙ１ １ ５Ｆ−Ｇｌｙｒ、ＰＳＡＭＬ１ ４ １Ｆ−Ｇｌｙｒ、ＰＳＡＭＬ１ ４ １Ｆ、Ｙ１ １ ５Ｆ−ＧＡＢＡＣおよびＰＳＡＭＬ１ ４ １Ｆ、Ｙ１ １ ５Ｆ−５−Ｈ Ｔ３に基づいて命名 神経活性の活性化は、５−Ｈ Ｔ３含有キメラによって可能にされるが、ＧＡＢＡＣ−およびＧｌｙｒ含有キメラは阻害性である（図２参照）（Ｍａｇｎｕｓ ｅ ｔ ａ ｌ． ることを示唆しています。

図2。 PSEMsの作用機序。 活性化PSAMsは、5-HT3などの陽イオン選択的チャネルのイオン細孔ドメインとスプライシング変異α7nAChRリガンド結合ドメインで構成されています。 Psamsの活性化へのPSEMsの結合は、陽イオンの流入および神経活性の活性化をもたらす。 阻害性PSAMsは、GlyRのような陰イオン選択的チャネルのイオンポレドメインとスプライシングされた変異α7nAChRリガンド結合ドメインで構成されています。 抑制性PSAMsへのPSEMsの結合は陰イオンの流入および神経の活動の阻止で起因します。 Image credit:Tocris Bioscience

Scientific reviews for further reading

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