En Oversikt Over Kjemogenetikk

på grunn av betydelig utvikling i nevrovitenskap teknikker, forskere er nå i stand til å selektivt utnytte nevrale systemer i bevisste dyr, gjennom nye metoder som kalles kjemogenetikk og optogenetikk. Disse metodene hjelpe i å utforske nevrale kretser underliggende intrikate atferd i sykdom og helse.

Kjemogenetikk og optogenetikk viser likheter i deres tilnærming til å modifisere nevronaktivitet; for eksempel, i begge teknikker, må ionkanaler eller konstruerte reseptorer innføres i bestemte hjernegrupper, gjennom plasmid-uttrykk eller virale vektorsystemer. I optogenetikk må bakterielle lysfølsomme ionkanaler uttrykkes, og fiberoptikk må også senere brukes til å hemme eller aktivere nevronaktivitet in vivo eller in vitro (Boyden et al., 2005; Zhang et al., 2007).

selv om denne metoden gir overlegen temporal kontroll av in vivo neuronal aktivitet, er det kjent for å være iboende invasiv og trenger cerebral implantasjon av fiberoptikk. Kjemogenetikk, derimot, trenger ikke et kronisk implantat, men opprettholder potensialet for å kontrollere nevronaktivitet. Dette oppnås ved å administrere ligander, selektive for ionekanaler eller konstruerte reseptorer, som ellers er inerte (Armbruster et al., 2007; Campbell & Marchant, 2018). Tabell 1 viser hovedtrekkene til kjemogenetikk og optogenetikk.

Tabell 1. Kjemogenetikk vs optogenetikk

Historie Og Utvikling

RASSLs

Kjemogenetikk refererer til bruk av ionekanaler eller genetisk utviklede reseptorer og selektive ligander som aktiverer disse reseptorene for å lette manipuleringen av nevronaktivitet. I denne sammenheng Har G-proteinkoblede reseptorer (GPCRs) vært i spissen for utviklingen av kjemogenetikk, og det opprinnelige papiret definerer GPCRs som reagerer bare på syntetiske ligander ble publisert i 1998.

disse reseptorene-Kjent som Reseptorer Aktivert Utelukkende Av En Syntetisk Ligand — RASSLs) – ble effektivt brukt in vivo, for eksempel for å fjernstyre hjerteaktiviteten. Til tross for dette har anvendelsen Av RASSLs i nevrovitenskap vært begrenset av den endogene aktiviteten til reseptorer i fravær av deres spesielle ligand og den farmakologiske aktiviteten til ligander in vivo (Coward et al ., 1998; Sternson & Roth, 2014).

DREADDs

de siste årene har sett utviklingen Av Designer Reseptorer Utelukkende Aktivert Av Designer Narkotika (DREADDS). Muterte humane muskarinreseptorer stimulert bare av inerte ligander var de første DREADDENE som ble utviklet (Armbruster et al., 2007). Gjennom flere runder med mutagenese og screening mot Det biologisk inerte Ligandklozapin n-oksid (CNO) ble muskarinreseptorer koblet til gaq intracellulær signalvei identifisert.

Reseptorer koblet til denne banen er i stand til å aktivere nevronaktivitet som respons PÅ CNO. Lave konsentrasjoner av CNO aktiverer alle Tre Gaq-DREADDs-hM1Dq, hM3Dq og hM5Dq (Roth, 2016). Videre viste den samme studien at hM4Di og hM2Di kan hemme nevronaktivitet via deres kobling til Gai intracellulære signalveier. Disse hemmende DREADDs reagerer også PÅ CNO (Armbruster et al. 2007; Figur 1).

Figur 1. Virkningsmekanisme AV DREADD ligander. Binding AV DREADD ligander Til Gaq-DREADDs provoserer nevronal avfyring, mens binding Til Gai-DREADDs resulterer i hemming av nevronal aktivitet. Klozapin n-oksid dihydroklorid og DREADD agonist 21 er ikke-selektive muskariniske DREADD agonister og kan derfor aktivere eller hemme nevronaktivitet, avhengig av den spesifikke reseptoren som uttrykkes. Salvinorin B er selektiv for KORD-reseptoren, som er koblet Til GaI-signalering, og følgelig resulterer binding i hemming av nevronaktivitet. Bilde kreditt: Tocris Bioscience

bindingen Mellom Gaq-DREADDs og CNO forårsaker stimulering av fosfolipase C (PLC), som katalyserer omdannelsen av fosfatidylinositol 4,5-bisfosfat (PIP2) til 1,2-diacylglycerol (DAG) og inositol 1,4,5-trisfosfat (IP3). BÅDE DAG og IP3 har andre messenger-funksjoner: sistnevnte binder seg til sine reseptorer for å utløse frigjøring Av Ca2+ fra intracellulære butikker, mens den tidligere stimulerer ulike former for proteinkinase C (PKC).

bindingen Mellom Gai-DREADDs og CNO forårsaker hemming av adenylylcyklase (AC), noe som resulterer i reduserte intracellulære cAMP-nivåer. SIDEN BÅDE EPAC og proteinkinase A (pka) aktiveres av cAMP, HEMMER CNOS handling Ved Gai-DREADDs EPAC og PKA nedstrøms signalering (Se Figur 1).

CNO er en metabolitt av klozapin, studier indikerer at dette er en toveis konvertering og AT CNO kan gjennomgå omvendt metabolisme til klozapin. Når CNO administreres ved konsentrasjonene som trengs for å aktivere DREADDs, er klozapin senere i stand til å aktivere endogene reseptorer(Gomez et al., 2017). Klozapin — et atypisk antipsykotisk middel-virker på en rekke mål og fører til mange forskjellige atferdseffekter.

Rotter, mus, mennesker, ikke-humane primater og marsvin viser alle reversibel metabolisme AV CNO til klozapin (Gomez et al., 2017; Manvich et al., 2018). Som et resultat av potensiell omvendt metabolisme AV CNO, struktur-aktivitet forholdet studier har utviklet seg til å utvikle stabile, alternative ligander.

den potente DREADD ligand-DREADD agonist 21 – ble først analysert for aktivitet mot hM3Dq. Det godkjente stoffet perlapin ble identifisert som en kraftig hM3Dq agonist i samme forskning. I Japan har dette stoffet blitt godkjent som beroligende og hypnotisk (Chen et al., 2015). Både perlapin og DREADD agonist 21 har senere blitt vist å være potente agonister av hM4Di, hM3Dq og hM1Dq med liten eller ingen off-target aktivitet. VIDERE HAR DREADD agonist 21 blitt testet in vivo, der det har vist seg å aktivere hM3Dq-uttrykkende nevroner og hemme aktiviteten til hM4Di-uttrykkende nevroner (Thompson et al., 2018).

I Etterkant av utviklingen av muskariniske DREADDs er det opprettet en hemmende DREADD fra den κ-opioidreseptoren (KORD). Aktivering av denne hemmende DREADD oppnås ved binding av ligand Salvinorin B, noe som resulterer i inhibering av nevronaktivitet gjennom Gai-signalering. FOR å tillate toveis kontroll av neuronal aktivitet, KORD kan benyttes sammen, aktivere DREADDs som hM3Dq (Vardy et al., 2015).

noen vanlige trekk i alle DREADDs gjør dem egnet for bruk i nevrovitenskapseksperimenter. For det første viser DREADDs ikke noe svar på endogene ligander på grunn av genetiske mutasjoner i deres ligandbindingssteder som eliminerer binding, noe som innebærer at ENHVER AKTIVITET AV DREADD vil være bare på grunn av anvendelsene til den spesifikke DREADD ligand. For det andre har in vitro eller in vivo uttrykk For DREADDs ingen innvirkning på baseline atferd, nevronfunksjon eller cellulær aktivitet, før tillegget AV DREADD ligand (Sternson & Roth, 2014).

PSAMs / PSEMs

Mens DREADDs og RASSLs er basert På GPCRs, modifiserte ionekanaler kalt Farmakologisk Selektive Aktuatormoduler (PSAMs), har også blitt brukt til å modulere aktiviteten til nevroner. PSAMs er basert på studier som indikerer at det er mulig å transplantere det ekstracellulære ligandbindende domenet til den α7 nikotiniske ACh-reseptoren (nAChR) på ionporedomenet til andre ligandstyrte ionekanaler. Når det α7 nAChR ligand bindende domenet er spleiset med ionporedomenet til 5-HT3-reseptoren, produseres en ionkanal med α 7 nachr farmakologi, men med 5-HT3 kationledningsegenskaper (Eiselé et al., 1993).

på samme måte gir spleising av det α7 nachr ligandbindende domenet med ionporedomenet til kloridselektive glysinreseptoren (GlyR) en ach-responsiv kloridkanal (Gruter et al., 2005). Selektiv mutasjon av det α7 nAChR ligandbindende domenet genererer FØLGELIG PSAM-ionekanaler, som ikke viser Noen ach-binding, men er fortsatt selektivt bundet av forbindelser som Kalles Farmakologisk Selektive Effektormolekyler (Psemer).

Psamer eller kimære ionekanaler som tillater regulering av anion-eller kationkonduktans, har blitt produsert gjennom kombinasjonen av det muterte α 7 nAChR ligandbindende domenet (som har to eller en mutasjon) med ionporedomenet til flere varierte ligandstyrte ionkanaler. SLIKE PSAM kimærer er navngitt basert på deres mutasjoner samt koblet ion pore domene-PSAML141F, Y115F-GlyR, PSAML141F-GlyR, PSAML141F,Y115F-GABAC, OG PSAML141F,Y115F-5-HT3. Aktivering av nevronaktivitet aktiveres av 5-HT3-holdige kimærer, MENS GABAC-og Glyrholdige kimærer er hemmende (Se Figur 2) (Magnus et al., 2011; Sternson & Roth, 2014).

Figur 2. Virkningsmekanisme Av PSEMs. Aktivering Av PSAMs består av et mutert α 7 nAChR ligand bindende domene spleiset med ionporedomenet til en kation-selektiv kanal, for eksempel 5-HT3. Binding Av PSEMs for å aktivere PSAMs resulterer i en tilstrømning av kationer og aktivering av nevronaktivitet. Hemmende Psamer er sammensatt av et mutert α 7 nAChR ligandbindende domene spleiset med ionporedomenet til en anion selektiv kanal, som GlyR. Binding Av PSEMs til hemmende PSAMs resulterer i en tilstrømning av anioner og hemming av nevronaktivitet. Bilde kreditt: Tocris Bioscience

Vitenskapelige vurderinger for videre lesing

• Campbell & Marchant (2018) bruken av kjemogenetikk i atferdsmessig nevrovitenskap: reseptorvarianter, målrettingsmetoder og advarsler. Br J Pharmacol. 175, 994.
• Roth (2016) DREADDs for Nevrologer. Nevron. 89, 683.
• Magnus et al. (2011) Kjemisk og genetisk prosjektering av selektive ligand-ionkanalinteraksjoner. Science. 333, 1292.
• Sternson & Roth (2014) Kjemogenetiske verktøy for å forhøre hjernefunksjoner. Annu Rev Neurol. 37, 387.

1. Armbruster et al. (2007) Utvikler låsen for å passe nøkkelen til å skape en familie Av g-proteinkoblede reseptorer som aktiveres av en inert ligand. Proc Natl Acad Sci usa. 104, 5163.
2. Atasoy et al. (2012) Dekonstruksjon av en nevralkrets for sult. Natur. 488, 172.
3. Boyden et al. (2005) Millisekund-tidsskala, genetisk målrettet optisk kontroll av nevrale aktivitet. Nat Neurosci. 8, 1263.
4. Bradley & Tobin (2016) Design av neste generasjons g-proteinkoblede reseptormedikamenter: kobling av ny farmakologi og in vivo dyremodeller. Årlig Rev Pharmacol Toxicol. 56, 535.
5. Bradley et al. (2018) bruk av kjemogenetiske tilnærminger for å studere de fysiologiske rollene til muskarin acetylkolinreseptorer i sentralnervesystemet. Nevrofarmakologi. 136, 421.
6. Chen et al. (2015) den første struktur-aktivitet forholdet studier for designer reseptorer utelukkende aktivert av designer narkotika. ACS Chem Nevrovitenskap. 6, 476.
7. Feiging et al. (1998) Kontrollere signalering med en spesielt utformet Gi-koblet reseptor. Proc Natl Acad Sci usa. 95, 352.
8. Eiselé et al. (1993) Kimær nikotinisk-serotonerg reseptor kombinerer ligandbinding og kanalspesifikasjoner. Natur. 366, 479.
9. Ge et al. (2017) Glutamaterge projeksjoner fra entorhinal cortex til dorsal dentate gyrus mediert kontekstindusert gjenoppretting av heroinsøkende. Neuropsykofarmakologi. 42, 1860.
10. Gomez et al. (2017) Kjemogenetikk avslørt: DREADD belegg og aktivering via konvertert clozapin. Science. 357, 503.
11. Gruter et al. (2005) Molekylær tuning av rask gating i pentameric ligand-gated ion kanaler. Proc Natl Acad Sci usa. 102, 18207.
12. Jiang et al. (2018) Kolinerge nevroner i medial septum opprettholder angstlignende atferd indusert av kronisk inflammatorisk smerte. Neurosci Lett. 671, 7.
13. Manvich et al. (2018) DREADD-agonisten clozapin N-oksid (CNO) metaboliseres omvendt til clozapin og produserer clozapin-lignende interoceptive stimuluseffekter hos rotter og mus. Sci Rep. 8, 3840.
14. Rapanelli et al. (2017) Histaminmodulasjon av basale ganglia kretser i utviklingen av patologisk grooming. Proc Natl Acad Sci usa. 114, 6599.
15. Sasaki et al. (2011) Farmakogenetisk modulering av orexin-nevroner endrer søvn / våkenhetstilstander hos mus. PLoS One. 6, e20360.
16. Schwartz et al. (2017) Cortico-accumbens regulering av tilnærming-unngåelse atferd er endret av erfaring og kronisk smerte. Celle Rep. 19, 1522.
17. Thompson et al. (2018) DREADD agonist 21 (C21) er en effektiv agonist for muskarinbaserte DREADDs in vitro og in vivo. ACS Pharmacol Transl Sci. Epub før utskrift.
18. Vardy et al. (2016) en ny DREADD letter multiplex kjemogenetisk forhør av atferd. Nevron. 86, 936.
19. Varela et al. (2016) Sporing av hippocampus tidsavhengige rolle i minnet tilbakekalling ved Hjelp Av DREADDs. PLoS One. 11, e0154374.
20. Zhang et al. (2007) Multimodal rask optisk forhør av nevrale kretser. Natur. 446, 633.

Om Tocris Bioscience

Tocris Bioscience er din pålitelige leverandør av høy ytelse life science reagenser, inkludert reseptor agonister & antagonister, enzymhemmere, ion kanal modulatorer, fluorescerende prober & fargestoffer og sammensatte biblioteker. Vår katalog består av over 4500 forskningsverktøy, som dekker over 400 proteinmål, slik at du kan undersøke og modulere aktiviteten til en rekke signalveier og fysiologiske prosesser.

Vi har jobbet med forskere i over 30 år for å gi life science samfunnet med forskningsstandarder, samt nye og innovative forskningsverktøy. Vi forstår behovet for forskere å stole på deres forskningsreagenser, og derfor er vi forpliktet til å forsyne våre kunder med de høyeste kvalitetsprodukter som er tilgjengelige, slik at du kan publisere med tillit.

Totris er en del av protein sciences division Of Bio-Techne, som også inkluderer de beste i klassen merker R& D Systems, Novus Biologicals, ProteinSimple og Advanced Cell Diagnostics. Bio-Techne har forent disse merkene for å gi forskere en full portefølje av forskningsreagenser, analyser og proteinplattformer. For mer informasjon Om Bio-Techne og dets merker, vennligst besøk bio-techne.com.

Retningslinjer For Sponset Innhold: News-Medical.net publiserer artikler og relatert innhold som kan være avledet fra kilder der vi har eksisterende kommersielle relasjoner, forutsatt at slikt innhold tilfører verdi til kjernen redaksjonelle ethos av News-Medical.Net som er å utdanne og informere besøkende som er interessert i medisinsk forskning, vitenskap, medisinsk utstyr og behandlinger.

Sitater