Uma Visão geral de Chemogenetics

Devido a uma evolução significativa em neurociência técnicas, os pesquisadores estão agora capaz de seletivamente explorar sistemas neurais em animais conscientes, através emergentes métodos chamados chemogenetics e optogenetics. Estes métodos ajudam a explorar os circuitos neurais subjacentes a comportamentos intrincados em doenças e saúde.A Quimogenética e a optogenética apresentam semelhanças na sua abordagem de modificação da actividade neuronal .; por exemplo, em ambas as técnicas, canais iônicos ou receptores projetados têm que ser introduzidos em regiões cerebrais particulares, através de expressão plasmídica ou sistemas Vectores virais. Em optogenética, os canais iónicos sensíveis à luz bacterianos devem ser expressos e a fibra óptica também deve ser posteriormente utilizada para inibir ou activar a actividade neuronal in vivo ou in vitro (Boyden et al., 2005; Zhang et al., 2007).

embora este método ofereça um controle temporal superior da atividade neuronal in vivo, é conhecido por ser intrinsecamente invasivo e precisa de implantação cerebral de fibra óptica. A quimogenética, por outro lado, não precisa de um implante crônico, mas mantém o potencial de controlar a atividade neuronal. Isto é conseguido através da administração de ligandos, seletivos para canais iônicos ou receptores projetados, que são inertes (Armbruster et al., 2007; Campbell & Marchant, 2018). O quadro 1 apresenta as principais características da quimogenética e da optogenética.

Quadro 1. Chemogenetics vs optogenetics

História e Desenvolvimento

RASSLs

Chemogenetics refere-se ao uso de canais de íons ou geneticamente modificados receptores e ligantes seletivos ativando os receptores para facilitar a manipulação de actividade neuronal. Neste contexto, receptores acoplados de proteína G (GPCRs) têm liderado o desenvolvimento da quimogenética, e o artigo original definindo GPCRs que reagem apenas a ligantes sintéticos foi publicado em 1998.

estes receptores-conhecidos como receptores activados unicamente por um ligante Sintético (RASSLs) — foram efectivamente aplicados in vivo, por exemplo, para controlar remotamente a actividade cardíaca. Apesar deste facto, a aplicação de RASSLs na neurociência tem sido limitada pela actividade endógena de receptores na ausência do seu ligante particular e pela actividade farmacológica de ligandos in vivo (Coward et al., 1998; Sternson & Roth, 2014).

DREADDs

the recent years have seen the development of Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADDS). Receptores muscarínicos humanos mutantes estimulados apenas por ligantes inertes foram os primeiros rastas a serem desenvolvidos (Armbruster et al., 2007). Através de várias rondas de mutagénese e rastreio contra o óxido N-óxido de clozapina biologicamente inerte (CNO), foram identificados os receptores muscarínicos acoplados à via de sinalização intracelular Gaq.Os receptores acoplados a esta via são capazes de activar a actividade neuronal em resposta à CNO. Baixas concentrações de CNO ativam todos os três Gaq-DREADDs-hM1Dq, hM3Dq, e hM5Dq (Roth, 2016). Além disso, o mesmo estudo revelou que o hM4Di e o hM2Di podem inibir a actividade neuronal através do seu acoplamento às vias intracelulares de sinalização Gai. Estas DREADDs inibitórias também respondem ao CNO (Armbruster et al., 2007; Figura 1).

Figura 1. Mecanismo de ação dos ligandos do DREADD. A ligação de ligantes DREADD a Gaq-DREADDs provoca o disparo neuronal, enquanto a ligação a Gai-DREADDs resulta na inibição da atividade neuronal. Dihidrocloreto de N-óxido da clozapina e agonista do DREADD 21 são agonistas do DREADD muscarínico não selectivos, pelo que podem activar ou inibir a actividade neuronal, dependendo do receptor específico a ser expresso. A salvinorina B é seletiva para o receptor de corda, que é acoplada à sinalização GaI, consequentemente ligando resulta na inibição da atividade neuronal. Crédito da imagem: Tocris de Biociências

A ligação entre Gaq-DREADDs e CNO faz com que a estimulação da fosfolipase C (PLC), que catalisa a conversão de phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) 1,2-diacilglicerol (DAG) e inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3). Tanto o DAG como o IP3 possuem funções de segundo mensageiro: este último liga-se aos seus receptores para desencadear a libertação de Ca2+ das reservas intracelulares, enquanto o primeiro estimula várias formas de proteína cinase C (PKC).

a ligação entre Gai-DREADDs e CNO provoca a inibição da adenil ciclase (AC), resultando em diminuição dos níveis intracelulares do campo. Uma vez que tanto a EPAC como a proteína cinase a (PKA) são activadas pelo campo, a acção do CNO no Gai-DREADDs inibe a sinalização do EPAC e do PKA a jusante (ver Figura 1).

CNO é um metabolito da clozapina, estudos indicam que esta é uma conversão bidirecional e que o CNO pode sofrer metabolismo reverso da clozapina. Quando o CNO é administrado nas concentrações necessárias para activar as DREADDs, a clozapina é subsequentemente capaz de activar os receptores endógenos (Gomez et al., 2017). Clozapina — um antipsicótico atípico-age em uma série de alvos e leva a muitos efeitos comportamentais diferentes.

ratos, ratinhos, humanos, primatas não humanos e cobaias mostram o metabolismo reversível da CNO à clozapina (Gomez et al., 2017; Manvich et al., 2018). Como resultado do metabolismo reverso potencial do CNO, estudos de relação estrutura-atividade evoluíram para desenvolver ligandos estáveis e alternativos.

o potente ligando DREADD-agonista DREADD 21-foi inicialmente analisado quanto à actividade contra o hM3Dq. O medicamento aprovado perlapina foi identificado como um poderoso agonista hM3Dq na mesma pesquisa. No Japão, esta droga foi aprovada como um sedativo e hipnótico (Chen et al., 2015). Tanto a perlapina como o agonista DREADD 21 demonstraram subsequentemente serem agonistas potentes de hM4Di, hM3Dq e hM1Dq com pouca ou nenhuma actividade fora do alvo. Além disso, o agonista DREADD 21 foi testado in vivo, no qual foi demonstrado ativar neurônios que expressam hM3Dq e inibir a atividade dos neurônios que expressam hM4Di (Thompson et al., 2018).

após o desenvolvimento de Rastas muscarínicas, foi criada uma Dread inibitória a partir do receptor κ-opióide (KORD). A ativação deste DREADD inibitório é alcançada através da ligação do ligando salvinorina B, resultando na inibição da atividade neuronal através da sinalização Gai. Para permitir o controle bidirecional da atividade neuronal, o KORD pode ser utilizado ao lado, ativando DREADDs como hM3Dq (Vardy et al., 2015).

algumas características comuns em todas as DREADDs tornam-nas adequadas para aplicação em experimentos de neurociência. Em primeiro lugar, DREADDs não exibem qualquer resposta aos ligantes endógenos por causa de mutações genéticas dentro de seus locais de ligação ligando que eliminam a ligação, o que implica que qualquer atividade do DREADD será apenas por causa das aplicações do ligando DREADD específico. Em segundo lugar, a expressão in vitro ou in vivo de DREADDs não tem qualquer impacto nos comportamentos basais, função neuronal, ou atividade celular, antes da adição do ligando DREADD (Sternson & Roth, 2014).

PSAMs/PSEMs

Enquanto DREADDs e RASSLs são baseados em Broadband, a modificação de canais de íons denominado Farmacologicamente Seletiva Módulos do Atuador (PSAMs), também têm sido utilizados para modular a atividade de neurônios. Os PSAMs baseiam-se em estudos que indicam que é possível transplantar o domínio de ligação do ligando extracelular do receptor ACH nicotínico α7 (nAChR) para o domínio dos poros iónicos de outros canais iónicos ligados ao ligando. Quando o domínio de ligação do ligando α7 nAChR é spliced com o domínio de poro iônico do receptor 5-HT3, um canal iônico com farmacologia de α7 nAChR é produzido, mas com propriedades de condução de catiões 5-HT3 (Eiselé et al., 1993).

da mesma forma, a articulação do domínio de ligação do ligando nachr α7 com o domínio de poro iónico do receptor glicina selectivo cloreto (GlyR) produz um canal de cloreto responsivo ACh (Grutter et al., 2005). A mutação seletiva do domínio de ligação do ligando α7 nachr gera canais iônicos PSAM, que não mostram qualquer ligação ACh, mas ainda estão seletivamente ligados por compostos chamados moléculas efetoras farmacologicamente seletivas (PSEMs).

PSAMs ou quiméricas canais de íons, permitindo regulamento do ânion ou cátion condutância ter sido produzido através da combinação dos mutantes α7 nAChR ligante domínio de ligação (de abrigar dois ou um mutações) com o íon de poros domínio de várias variado de ligante-fechado de canais de íons. Tais PSAM quimeras são nomeados com base em suas mutações, bem como vinculada de iões de poro de domínio — PSAML141F,Y115F-GlyR, PSAML141F-GlyR, PSAML141F,Y115F-GABAC, e PSAML141F,Y115F-5-HT3. A ativação da atividade neuronal é ativada por Quimeras contendo 5-HT3, enquanto que Quimeras contendo GABAC e GlyR são inibitórias (ver Figura 2) (Magnus et al., 2011; Sternson & Roth, 2014).

Figura 2. Mecanismo de acção dos PSEMs. Os PSAMs activantes são compostos por um domínio de ligação de ligando α7 nAChR modificado com o domínio de poro iónico de um canal selectivo cation, como o 5-HT3. A ligação de PSEMs para ativar PSAMs resulta em um influxo de catiões e ativação da atividade neuronal. Os PSAMs inibitórios são compostos por um domínio mutante de ligação do ligante α7 nAChR com o porredoma iónico de um canal selectivo de anião, como o GlyR. A ligação dos PSEMs aos PSAMs inibitórios resulta num influxo de aniões e inibição da actividade neuronal. Image credit: Tocris Bioscience

Scientific reviews for further reading

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

1. Armbruster et al. (2007) developing the lock to fit the key to create a family of G protein-coupled receptors potently activated by an inert ligand. Proc Natl Acad Sci USA. 104, 5163.Atasoy et al. (2012) desconstrução de um circuito neural para a fome. Natureza. 488, 172.
2. Boyden et al. (2005) milisegundo período, controlo óptico geneticamente orientado da actividade neural. Nat Neurosci. 8, 1263.
3. Bradley & Tobin (2016) Design of next-generation G protein-coupled receptors drugs: linking novel pharmacology and in vivo animal models. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 56, 535.Bradley et al. (2018) The use of chemogenetics approaches to study the physiological roles of muscarinic acetilcholine receptors in the central nervous system. Neurofarmacologia. 136, 421.Chen et al. (2015) the first structure-activity relationship studies for designer receptors exclusively activated by designer drugs. Neurociência ACS Chem. 6, 476.Coward et al. (1998) Controlling signaling with a specifically designed Gi-coupled receptor. Proc Natl Acad Sci USA. 95, 352.
4. Eiselé et al. (1993) o receptor Quimaérico nicotínico-serotoninérgico combina a ligação dos ligantes e as especificidades dos canais. Natureza. 366, 479.
5. Ge et al. (2017) projecções Glutamatérgicas do córtex entorhinal ao giro dentado dorsal mediado pelo contexto induzido pela reintegração da heroína à procura. Neuropsicofarmacologia. 42, 1860.
6. Gomez et al. (2017) Chemogenetics revealed: DREADD occupancy and activation via converted clozapina. Ciência. 357, 503.
7. Grutter et al. (2005) Molecular tuning of fast gating in pentameric ligand-gated ion channels. Proc Natl Acad Sci USA. 102, 18207.
8. Jiang et al. (2018) os neurónios colinérgicos no septo medial mantêm comportamentos de tipo ansiedade induzidos pela dor inflamatória crónica. Neurosci Lett. 671, 7.
9. Manvich et al. (2018) o agonista do DREADD clozapina n-oxide (CNO) é metabolizado reverso para clozapina e produz efeitos interoceptivos do tipo clozapina em ratos e ratinhos. SIC Rep. 8, 3840.Rapanelli et al. (2017) Histamine modulation of the basal ganglia circuitry in the development of patological grooming. Proc Natl Acad Sci USA. 114, 6599.
10. Sasaki et al. (2011) Pharmacogenetic modulation of orexin neurons alters sleep/wakefulness states in mice. PLoS Um. 6, e20360.Schwartz et al. (2017) Cortico-accumbens regulation of approach-avoidance behavior is modified by experience and chronic pain. 19, 1522.
11. Thompson et al. (2018) O DREADD agonist 21 (C21) é um agonista efetivo das Dreads muscarínicos in vitro e in vivo. ACS Pharmacol Transl Sci. Epub à frente da impressão.
12. Vardy et al. (2016) um novo DREADD facilita o multiplex chemogenetic interrogation of behavior. Neuronio. 86, 936.
13. Varela et al. (2016) Tracking the time-dependent role of the hippocampus in memory recall using DREADDs. PLoS Um. 11, e0154374.
14. Zhang et al. (2007) Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry. Natureza. 446, 633.

Sobre Tocris de Biociências

Tocris Biociências é o seu fornecedor confiável de alto desempenho em ciências da vida reagentes, incluindo agonistas dos receptores & antagonistas, inibidores de enzimas, canal de íons moduladores, sondas fluorescentes & corantes e compostos bibliotecas. Nosso catálogo consiste em mais de 4.500 ferramentas de pesquisa, cobrindo mais de 400 alvos proteicos que permitem investigar e modular a atividade de inúmeras vias de sinalização e processos fisiológicos.Há mais de 30 anos que trabalhamos com cientistas para fornecer à comunidade de Ciências da vida normas de investigação, bem como ferramentas inovadoras de investigação. Entendemos a necessidade de os pesquisadores confiarem em seus reagentes de pesquisa, e é por isso que estamos comprometidos em fornecer aos nossos clientes os produtos de mais alta qualidade disponíveis, para que você possa publicar com confiança.

Tocris é parte da proteína divisão de ciências da Bio-Techne, que também inclui as melhores marcas de classe R&D Sistemas, Novus produtos Biológicos, ProteinSimple, e Advanced Cell Diagnóstico. A Bio-Techne uniu essas marcas para fornecer aos pesquisadores um portfólio completo de reagentes de pesquisa, ensaios e plataformas proteicas. Para obter mais informações sobre Bio-Techne e suas marcas, por favor visite bio-techne.com.

Patrocinado Política de Conteúdo: News-Medical.net publica artigos e conteúdos que podem ser retiradas de fontes onde temos existente de relações comerciais, desde que tal conteúdo agrega valor ao núcleo editorial ethos de News-Medical.Net o que é educar e informar os visitantes do site interessado na pesquisa médica, a ciência, dispositivos médicos e tratamentos.

Citações