Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с Channelrhodopsins )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Каналродопсины - это подсемейство ретинилиденовых белков ( родопсинов ), которые функционируют как светозависимые ионные каналы . [1] Они служат сенсорными фоторецепторами у одноклеточных зеленых водорослей , контролируя фототаксис : движение в ответ на свет. [2] Экспрессируемые в клетках других организмов, они позволяют свету контролировать электрическую возбудимость , внутриклеточную кислотность , приток кальция и другие клеточные процессы (см. Оптогенетику).). Каналродопсин-1 (ChR1) и каналродопсин-2 (ChR2) из ​​модельного организма Chlamydomonas reinhardtii являются первыми обнаруженными канальными родопсинами. Были клонированы варианты из других видов водорослей, и ожидается их появление.

Структура [ править ]

Кристаллическая структура канального родопсина. PDB 3ug9 [3]

По структуре канальцевые родопсины представляют собой ретинилиденовые белки . Они являются семь-трансмембранными белками , такими как родопсин , и содержат свет-isomerizable хромофора общероссийского транса - сетчаток (AN альдегид производную от витамина А ). Хромофор сетчатки ковалентно связан с остальным белком через протонированное основание Шиффа . В то время как большинство 7-трансмембранных белков являются рецепторами , связанными с G-белками, которые открывают другие ионные каналы косвенно через вторичные мессенджеры (т. Е. Они являются метаботропными) канальные родопсины непосредственно образуют ионные каналы (т. е. являются ионотропными ). [4] Это делает клеточную деполяризацию чрезвычайно быстрой, надежной и полезной для приложений биоинженерии и нейробиологии, включая фотостимуляцию .

Функция [ править ]

Схема конструкции слияния ChR2-RFP

Природный («дикого типа») ChR2 поглощает синий свет с максимумом спектра поглощения и действия при 480 нм. [5] Когда полностью транс- ретинальный комплекс поглощает фотон , он вызывает конформационные изменения от полностью транс- ретинального к 13- цис- ретинальному. Это изменение вводит еще один в трансмембранный белок, открывая поры по крайней мере до 6 Å. В течение миллисекунд сетчатка возвращается в полностью трансформированную форму, закрывая поры и останавливая поток ионов. [4] Большинство природных канальных родопсинов представляют собой неспецифические катионные каналы, проводящие H + , Na + , K + и Ca2+ ионы. Недавно были открыты анионпроводящие канальные родопсины . [6]

Конструктор-канал родопсинов [ править ]

Каналродопсины - ключевые инструменты в оптогенетике . С-концевой конец Channelrhodopsin-2 простирается во внутриклеточное пространство и могут быть заменены на флуоресцентные белки , не затрагивая функцию канала. Такая конструкция слияния может быть полезна для визуализации морфологии клеток, экспрессирующих ChR2. [7] [8] Было показано, что точечные мутации, близкие к связывающему карману сетчатки, влияют на биофизические свойства канального родопсина, что приводит к множеству различных инструментов.

Кинетика [ править ]

Закрытие канала после оптической активации можно существенно отсрочить путем мутации белковых остатков C128 или D156. Эта модификация приводит к появлению сверхчувствительных каналов родопсинов, которые могут быть открыты синим световым импульсом и закрыты зеленым или желтым световым импульсом (ступенчатые опсины). [9] [10] [11] Мутация остатка E123 ускоряет кинетику канала (ChETA), и полученные мутанты ChR2 были использованы для спайк-нейронов с частотой до 200 Гц. [12] В целом, родопсины с медленной кинетикой более светочувствительны на уровне популяции, так как открытые каналы со временем накапливаются даже при слабом освещении.

Амплитуда фототока [ править ]

Мутанты H134R и T159C демонстрируют повышенные фототоки, а комбинация T159 и E123 (ET / TC) имеет немного большие фототоки и немного более быструю кинетику, чем ChR2 дикого типа. [13] Среди вариантов ChR, ChIEF, химера и точечный мутант ChR1 и ChR2, демонстрирует наибольшие фототоки и наименьшую десенсибилизацию и имеет кинетику, аналогичную ChR2 дикого типа. [14]

Длина волны [ править ]

Химерные канальные родопсины были разработаны путем объединения трансмембранных спиралей из ChR1 и VChR1, что привело к развитию ChR с красными спектральными сдвигами (таких как C1V1 и ReaChR). [11] [15] ReaChR улучшает мембранный транспорт и сильную экспрессию в клетках млекопитающих и используется для минимально инвазивной транскраниальной активации мотонейронов ствола мозга . Поиски гомологичных последовательностей у других организмов дали спектрально улучшенные и более сильные красносмещенные канальродпсины (Chrimson). [16] В сочетании с ChR2, эти желто-красные светочувствительные канальные родопсины позволяют независимо управлять двумя популяциями нейронов с помощью световых импульсов разного цвета. [17]

Родопсин с синим смещением канала был обнаружен у водоросли Scherffelia dubia . После некоторых разработок, направленных на улучшение движения и скорости мембран, полученный инструмент (CheRiff) произвел большие фототоки при возбуждении 460 нм. [18] Он был объединен с генетически закодированным индикатором кальция jRCaMP1b [19] в полностью оптической системе под названием OptoCaMP. [20]

Ионная селективность [ править ]

Мутация L132C (CatCh) увеличивает проницаемость для кальция и генерирует очень большие токи. [21] Мутация E90 на положительно заряженную аминокислоту аргинин превращает каналродопсин из неспецифического катионного канала в хлорид-проводящий канал (ChloC). [22] Селективность по Cl- была дополнительно улучшена за счет замены отрицательно заряженных остатков в поре канала, что сделало обратный потенциал более отрицательным. [23] [24] Селективные хлорид-проводящие родопсины (iChloC, iC ++, Gt ACR) подавляют выброс нейронов в культуре клеток и у интактных животных при освещении синим светом.

Приложения [ править ]

Каналродопсины можно легко экспрессировать в возбудимых клетках, таких как нейроны, с использованием различных методов трансфекции (вирусная трансфекция , электропорация , генная пушка ) или трансгенных животных . Светопоглощающий пигмент сетчатки глаза присутствует в большинстве клеток ( позвоночных ) в виде витамина А , что позволяет фотостимулировать нейроны без добавления каких-либо химических соединений. До открытия канальных родопсинов нейробиологи ограничивались записью активности нейронов в головном мозге и корреляциейэто действие с поведением. Этого недостаточно, чтобы доказать, что записанная нейронная активность действительно вызвала такое поведение. Управление сетями генетически модифицированных клеток с помощью света, новая область, известная как оптогенетика , позволяет исследователям теперь исследовать причинную связь между активностью в определенной группе нейронов и психическими событиями , например, принятием решений . Оптический контроль поведения был продемонстрирован у нематод, дрозофил, рыбок данио и мышей. [25] [26] Недавно были созданы хлорид-проводящие родопсины , которые также были обнаружены в природе. [6] [22]Эти инструменты можно использовать для подавления нейронов в культуре клеток и у живых животных путем подавления шунтирования . [23] [24]

Использование нескольких цветов света расширяет возможности оптогенетических экспериментов. ChR2, чувствительный к синему свету, и активируемый желтым светом хлоридный насос галородопсин вместе обеспечивают многоцветную оптическую активацию и подавление нейронной активности. [27] [28] VChR1 из колониальной водоросли Volvox carteri поглощает максимум при 535 нм и использовался для стимуляции клеток желтым светом (580 нм), хотя фототоки, генерируемые VChR1, обычно очень малы. [29] Однако гибриды VChR1-ChR2 были разработаны с использованием направленной эволюции, которые демонстрируют максимальное возбуждение при 560 нм и 50% пикового поглощения на длинах волн более 600 нм. [15][30]

Используя флуоресцентно меченый ChR2, можно идентифицировать стимулированные светом аксоны и синапсы . [8] Это полезно для изучения молекулярных событий во время индукции синаптической пластичности . [31] Трансфицированные культивируемые нейронные сети можно стимулировать для выполнения некоторых желаемых действий для приложений в робототехнике и управлении. [32] ChR2 также использовался для сопоставления дальнодействующих соединений от одной части мозга к другой и для сопоставления пространственного расположения входных сигналов на дендритном дереве отдельных нейронов. [33] [34]

Зрительная функция у слепых мышей может быть частично восстановлена ​​путем экспрессии ChR2 во внутренних клетках сетчатки. [35] [36] В будущем ChR2 может найти медицинское применение, например, при формах дегенерации сетчатки или для глубокой стимуляции мозга . Оптические кохлеарные имплантаты показали свою эффективность в экспериментах на животных и могут привести к первому применению оптогенетики у людей. [37] [38] [39]

История [ править ]

Подвижность и фотоориентация микроводорослей ( фототаксис ) изучаются более ста лет во многих лабораториях по всему миру.

В 1980 году Кен Фостер разработал первую последовательную теорию о функции глаз водорослей. [40] Он также проанализировал опубликованные спектры действия и дополнил слепые клетки сетчаткой и аналогами сетчатки, что привело к выводу, что фоторецептором для реакции подвижности у Chlorophyceae является родопсин . [41]

Фототоки Chlorophyceae Heamatococcus pluvialis и Chlamydomonas reinhardtii изучались в течение многих лет в группах Олега Синещекова и Петера Хегеманна , в результате чего в 1978 и 1991 годах были опубликованы две основополагающие публикации. [42] [43] На основе спектроскопии действия и одновременных записей фототоками и биением жгутиков было определено, что токи фоторецепторов и последующие движения жгутиков опосредуются родопсином и контролируют фототаксис и фотофобные реакции. Чрезвычайно быстрое нарастание тока фоторецепторов после короткой вспышки света привело к выводу, что родопсин и канал тесно связаны в белковый комплекс или даже внутри одного белка.[44] [45]

Однако биохимическая очистка родопсин-фоторецептора (ов) в течение многих лет была безуспешной.

Нуклеотидные последовательности родопсинов, которые теперь называются канальными родопсинами ChR1 и ChR2, были наконец обнаружены в крупномасштабном проекте секвенирования EST у C. reinhardtii . Независимое представление одних и тех же последовательностей в GenBank тремя исследовательскими группами вызвало путаницу в их именовании: имена cop-3 и cop-4 использовались для первоначального представления группой Хегеманна; [46] csoA и csoB группы Спудича ; [2] и acop-1 и acop-2 группы Такахаши. [47]Обе последовательности были обнаружены Георгом Нагелем, Эрнстом Бамбергом, Питером Хегеманном и другими как однокомпонентные светоактивированные катионные каналы в ооцитах Xenopus и клетках почек человека (HEK). [1] [4]

Название «каналродопсин» было придумано, чтобы подчеркнуть это необычное свойство, и последовательности были соответственно переименованы. Между тем их роль в генерации фоторецепторных токов в клетках водорослей была охарактеризована Олегом Синещековым, Кван-Хван Юнгом и Джоном Спудичем [2], а также Питером Бертольдом и Питером Хегеманом. [48]

В ноябре 2004 г. Чжо-Хуа Пан представил в Nature доклад о восстановлении зрения у слепых мышей, трансфицированных каналомодопсином, [ необходима цитата ], но статья была отклонена [ необходима цитата ] и в конечном итоге опубликована в Neuron в 2006 г. [49]

Между тем, в 2005 году три группы последовательно установили ChR2 в качестве инструмента для генетически ориентированного оптического дистанционного управления ( оптогенетики ) нейронов , нейронных цепей и поведения.

Сначала лаборатория Карла Дейссерота (в статье, опубликованной в августе 2005 г.) продемонстрировала, что ChR2 может быть использован для управления нейронами млекопитающих in vitro , достигая временной точности порядка миллисекунд (как с точки зрения задержки пиков, так и с точки зрения временной джиттер). [7] Это было важным открытием, поскольку, во-первых, все опсины (микробные, а также позвоночные) нуждаются в сетчаткекак светочувствительный кофактор, и было неясно, будут ли центральные нервные клетки млекопитающих содержать достаточные уровни в сетчатке, но они содержат; во-вторых, он показал, несмотря на небольшую одноканальную проводимость, достаточную эффективность, чтобы управлять нейронами млекопитающих выше порога потенциала действия; и, в-третьих, он продемонстрировал, что каналродопсин является первым оптогенетическим инструментом, с помощью которого нейронная активность может контролироваться с временной точностью, с которой работают нейроны (миллисекунды). Более ранний инструмент для фотостимуляции, cHARGe, продемонстрировал доказательство принципа действия на культивируемых нейронах [50], но никогда не использовался другими группами, поскольку он работал с точностью порядка секунд, сильно варьировал и не позволял контролировать индивидуальные потенциалы действия. .

Второе исследование было опубликовано позже группами Питера Хегеманна и Стефана Герлитце, подтвердившего способность ChR2 контролировать активность нейронов позвоночных , в настоящее время в спинном мозге цыплят. [51] Это исследование было первым, в котором ChR2 экспрессировался вместе с оптическим глушителем, в данном случае родопсином -4 позвоночных , что впервые продемонстрировало, что возбудимые клетки могут быть активированы и заглушены с помощью этих двух инструментов одновременно, освещая ткань разными длинами волн. .

Группы Александра Готтшалка и Эрнста Бамберга (с Георгом Нагелем, возглавляющим эксперимент) продемонстрировали, что ChR2, если он экспрессируется в определенных нейронах или мышечных клетках, может вызывать предсказуемое поведение, то есть может контролировать нервную систему интактного животного, в данном случае - беспозвоночное C. elegans . [52] Это было первое использование ChR2 для управления поведением животного в оптогенетическом эксперименте, при котором генетически определенный тип клеток подвергался дистанционному оптическому контролю. Хотя оба аспекта были проиллюстрированы ранее в том же году другой группой, лабораторией Miesenböck , использовавшей косвенно управляемый световой канал ионного канала P2X2, [53]отныне именно микробные опсины, такие как каналродопсин, доминировали в области генетически нацеленного дистанционного управления возбудимыми клетками благодаря мощности, скорости, целеустремленности, простоте использования и временной точности прямой оптической активации, не требующей каких-либо внешних химических соединений, таких как клетки лиганды. [54]

Чтобы преодолеть его основные недостатки - небольшую одноканальную проводимость (особенно в установившемся режиме), ограничение одной оптимальной длиной волны возбуждения (~ 470 нм, синий цвет), а также относительно длительное время восстановления, не позволяющее контролируемое срабатывание нейронов выше 20–40 Гц - ChR2 оптимизирован с помощью генной инженерии . Точечная мутация H134R (замены аминокислоты гистидина в положении 134 природного белок для аргинина) привела к увеличению стационарной проводимости, как описана в статье 2005 , которая также создано ChR2 в качестве инструмента оптогенетики в C. Элегансе . [52] В 2009 году Роджер ЦзяньЛаборатория оптимизировала ChR2 для дальнейшего увеличения стабильной проводимости и резко снизила десенсибилизацию путем создания химер ChR1 и ChR2 и мутации определенных аминокислот, в результате чего были получены ChEF и ChIEF, что позволило управлять цепями потенциалов действия до 100 Гц. [14] [55] В 2010 году группы Hegemann и Deisseroth ввели мутацию E123T в нативный ChR2, в результате чего был получен ChETA, который имеет более быстрое включение и выключение кинетики , что позволяет контролировать индивидуальные потенциалы действия на частотах до 200 Гц ( в соответствующих типах клеток). [12] [14]

Группы Hegemann и Deisseroth также обнаружили, что введение точечной мутации C128S делает полученное ChR2-производное инструментом ступенчатой ​​функции: после включения синим светом ChR2 (C128S) остается в открытом состоянии до тех пор, пока не будет переключен. выключен желтым светом - модификация, которая ухудшает временную точность, но увеличивает светочувствительность на два порядка. [9] Они также обнаружили и охарактеризовали VChR1 в многоклеточных водорослях Volvox carteri . VChR1 производит только крошечные фототоки, но со спектром поглощения, который смещен в красную область относительно ChR2. [29] Используя части последовательности ChR1, позже была улучшена амплитуда фототока, что позволило возбуждать две популяции нейронов на двух разных длинах волн. [11]

Группа Дейссерота была пионером многих применений на живых животных, таких как генетически нацеленный дистанционный контроль у грызунов in vivo , [56] оптогенетическая индукция обучения у грызунов, [57] экспериментальное лечение болезни Паркинсона у крыс, [58] [59] и комбинация с фМРТ (опто-фМРТ). [60] В других лабораториях впервые использовалась комбинация стимуляции ChR2 с визуализацией кальция для полностью оптических экспериментов [8], картирование дальнодействующих [33] и локальных [61] нервных цепей, экспрессия ChR2 из трансгенного локуса - напрямую [62] ]или в условной парадигме Cre-lox [61] - а также двухфотонное возбуждение ChR2, позволяющее активацию отдельных клеток. [63] [64] [65]

В марте 2013 года премия Brain Prize (Европейская премия Греты Лундбек) была присуждена Бамбергу, Бойдену, Дейссероту, Хегеману, Мизенбеку и Нагелю за «их изобретение и усовершенствование оптогенетики». [66] В том же году Хегеманн и Нагель получили премию Луи-Жанте в области медицины за «открытие канального родопсина». В 2015 году Бойден и Дайссерот получили премию за прорыв в науках о жизни, а в 2020 году Мизенбёк, Хегеманн и Нагель получили премию Шоу в области наук о жизни и медицине за развитие оптогенетики.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Nagel G, Ollig D, Fuhrmann M, Kateriya S, Musti AM, Bamberg E, Hegemann P (июнь 2002 г.). «Каналродопсин-1: светозащитный протонный канал в зеленых водорослях». Наука . 296 (5577): 2395–8. DOI : 10.1126 / science.1072068 . PMID  12089443 .
  2. ^ a b c Синещеков О.А., Юнг К.Х., Спудич Ю.Л. (июнь 2002 г.). «Два родопсина опосредуют фототаксис низкой и высокой интенсивности света у Chlamydomonas reinhardtii» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 99 (13): 8689–94. DOI : 10.1073 / pnas.122243399 . PMC 124360 . PMID 12060707 .  
  3. ^ Като ОН, Чжан Р, Yizhar О, Рамакришнано С, Нишизавом Т, Хират К, Ито Дж, Aita Y, Tsukazaki Т, Hayashi S, Hegemann Р, Матуран А.Д., Иситаните R, Дейссерот К, Nureki вывод (февраль 2012). «Кристаллическая структура канала светозависимого катиона родопсина» . Природа . 482 (7385): 369–74. DOI : 10,1038 / природа10870 . PMC 4160518 . PMID 22266941 .  
  4. ^ a b c Nagel G, Szellas T, Huhn W, Kateriya S, Adeishvili N, Berthold P, Ollig D, Hegemann P, Bamberg E (ноябрь 2003 г.). «Каналродопсин-2, катион-селективный мембранный канал с прямым светоуправлением» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 100 (24): 13940–5. DOI : 10.1073 / pnas.1936192100 . PMC 283525 . PMID 14615590 .  
  5. ^ Bamann С, Т Кирш, Нагель G, Бамберг Е (январь 2008). «Спектральные характеристики фотоцикла канала родопсина-2 и его значение для функции канала». J. Mol. Биол . 375 (3): 686–94. DOI : 10.1016 / j.jmb.2007.10.072 . PMID 18037436 . 
  6. ^ a b Говорунова Е.Г., Синещеков О.А., Янц Р., Лю X, Спудич Ю.Л. (2015). «Естественные светозащитные анионные каналы: семейство микробных родопсинов для продвинутой оптогенетики» . Наука . 349 (6248): 647–650. DOI : 10.1126 / science.aaa7484 . PMC 4764398 . PMID 26113638 .  
  7. ^ a b Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K (сентябрь 2005 г.). «В миллисекундах, генетически направленный оптический контроль нейронной активности». Nat. Neurosci . 8 (9): 1263–8. DOI : 10.1038 / nn1525 . PMID 16116447 . 
  8. ^ a b c Чжан Ю.П., Эртнер Т.Г. (февраль 2007 г.). «Оптическая индукция синаптической пластичности с помощью светочувствительного канала». Nat. Методы . 4 (2): 139–41. DOI : 10.1038 / nmeth988 . PMID 17195846 . 
  9. ^ a b Берндт А., Йижар О, Гунайдин Л.А., Хегеманн П., Дейссерот К. (февраль 2009 г.). «Бистабильные переключатели состояния нейронов». Nat. Neurosci . 12 (2): 229–34. DOI : 10.1038 / nn.2247 . PMID 19079251 . 
  10. ^ Schoenenberger P, Gerosa D, Oertner TG (2009). «Временной контроль немедленной индукции ранних генов светом» . PLoS ONE . 4 (12): e8185. DOI : 10.1371 / journal.pone.0008185 . PMC 2780714 . PMID 19997631 .  
  11. ^ a b c Ижар О., Фенно Л. Е., Пригге М., Шнайдер Ф., Дэвидсон Т. Дж., О'Ши Д. Д., Сохал В. С., Гошен И., Финкельштейн Дж., Паз Дж. Т., Стефест К., Фудим Р., Рамакришнан С., Хугенард-младший, Хегеманн П. , Deisseroth K (сентябрь 2011 г.). «Неокортикальный баланс возбуждения / торможения при обработке информации и социальной дисфункции» . Природа . 477 (7363): 171–8. DOI : 10,1038 / природа10360 . PMC 4155501 . PMID 21796121 .  
  12. ^ a b Gunaydin LA, Yizhar O, Berndt A, Sohal VS, Deisseroth K, Hegemann P (март 2010 г.). «Сверхбыстрый оптогенетический контроль». Nat. Neurosci . 13 (3): 387–92. DOI : 10.1038 / nn.2495 . PMID 20081849 . 
  13. ^ Берндт А., Шененбергер П., Мэттис Дж., Тай К.М., Дейссерот К., Хегеманн П., Эртнер Т.Г. (май 2011 г.). «Высокоэффективные канальные родопсины для быстрой нейрональной стимуляции при слабом освещении» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (18): 7595–600. DOI : 10.1073 / pnas.1017210108 . PMC 3088623 . PMID 21504945 .  
  14. ^ a b c Lin JY (январь 2011 г.). «Руководство пользователя по вариантам канального родопсина: особенности, ограничения и будущие разработки» . Экспериментальная физиология . 96 (1): 19–25. DOI : 10.1113 / expphysiol.2009.051961 . PMC 2995811 . PMID 20621963 .  
  15. ^ а б Лин Дж. Ю., Кнутсен П. М., Мюллер А., Кляйнфельд Д., Цзянь Р. Я. (октябрь 2013 г.). «ReaChR: вариант канала родопсина со смещением в красную область обеспечивает глубокое транскраниальное оптогенетическое возбуждение» . Природа Неврологии . 16 (10): 1499–508. DOI : 10.1038 / nn.3502 . PMC 3793847 . PMID 23995068 .  
  16. ^ Klapoetke NC, Murata Y, Ким С.С., Пальвер С.Р., Birdsey-Бенсон А, чо Ю.К., Моримото ТЗ, Чыонг А.С., Карпентер Е.Ю., Тянь Z, Ван - J, Се Y, Ян Z, Чжан У, Чоу ПО, Surek Б , Мелконян М., Джаяраман В., Константин-Патон М., Вонг Г.К., Бойден Е.С. (март 2014 г.). «Независимое оптическое возбуждение отдельных нейронных популяций» . Методы природы . 11 (3): 338–46. DOI : 10.1038 / nmeth.2836 . PMC 3943671 . PMID 24509633 .  
  17. Перейти ↑ Hooks BM, Lin JY, Guo C, Svoboda K (март 2015 г.). «Двухканальное картирование схемы показывает конвергенцию сенсомоторной системы в первичной моторной коре» . Журнал неврологии . 35 (10): 4418–26. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.3741-14.2015 . PMC 4355205 . PMID 25762684 .  
  18. ^ Hochbaum ДР, Чжао У, Farhi SL, Klapoetke N, Werley СА, Капур В, Цзоу Р, Краль JM, Маклорен D, Smedemark-Маргулис N, Сольнье ДЛ, Boulting Г.Л., ШТРАУБ С, чо Ю.К., Мелконян М, Вонг Г.К. , Harrison DJ, Murthy VN, Sabatini BL, Boyden ES, Campbell RE, Cohen AE (август 2014 г.). «Полностью оптическая электрофизиология в нейронах млекопитающих с использованием инженерных микробных родопсинов» . Методы природы . 11 (8): 825–33. DOI : 10,1038 / Nmeth.3000 . PMC 4117813 . PMID 24952910 .  
  19. ^ Dana H, Mohar B, Sun Y, Narayan S, Gordus A, Hasseman JP, Tsegaye G, Holt GT, Hu A, Walpita D, Patel R, Macklin JJ, Bargmann CI, Ahrens MB, Schreiter ER, Jayaraman V, Looger Л.Л., Свобода К., Ким Д.С. (март 2016 г.). «Чувствительные индикаторы кальция красного белка для визуализации нервной активности» . eLife . 5 . DOI : 10.7554 / eLife.12727 . PMC 4846379 . PMID 27011354 .  
  20. ^ Afshar Saber W, Gasparoli FM, Dirks MG, Ганн-Мур FJ, Antkowiak M (2018). «Полностью оптический анализ для изучения биологических нейронных сетей» . Границы неврологии . 12 : 451. DOI : 10,3389 / fnins.2018.00451 . PMC 6041400 . PMID 30026684 .  
  21. ^ Kleinlogel S, Feldbauer K, Dempski RE, Fotis H, Wood PG, Bamann C, E Бамберг (апрель 2011). «Сверхсветочувствительная и быстрая активация нейронов с Ca² + -проницаемым каналом родопсин CatCh» (PDF) . Природа Неврологии . 14 (4): 513–8. DOI : 10.1038 / nn.2776 . PMID 21399632 .  
  22. ^ a b Wietek J, Wiegert JS, Adeishvili N, Schneider F, Watanabe H, Tsunoda SP, Vogt A, Elstner M, Oertner TG, Hegemann P (апрель 2014 г.). «Превращение канального родопсина в светозависимый хлоридный канал». Наука . 344 (6182): 409–12. DOI : 10.1126 / science.1249375 . PMID 24674867 . 
  23. ^ а б Wietek J, Beltramo R, Scanziani M, Hegemann P, Oertner TG, Wiegert JS (октябрь 2015 г.). «Улучшенный хлорид-проводящий канал родопсин для индуцированного светом ингибирования нейрональной активности in vivo» . Научные отчеты . 5 : 14807. дои : 10.1038 / srep14807 . PMC 4595828 . PMID 26443033 .  
  24. ^ а б Берндт А., Ли С.Ю., Витек Дж., Рамакришнан С., Стейнберг Э.Е., Рашид А.Дж., Ким Х., Парк С., Санторо А., Франкланд П.В., Айер С.М., Пак С., Эрлунд-Рихтер С., Делп С.Л., Маленка Р.С., Джосселин С.А., Карлен М., Хегеманн П., Дейссерот К. (январь 2016 г.). «Структурные основы оптогенетики: детерминанты канальной селективности ионов родопсина» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (4): 822–9. DOI : 10.1073 / pnas.1523341113 . PMC 4743797 . PMID 26699459 .  
  25. ^ Дугласа AD, Kraves S, Дейссерот K, Schier AF, Engert F (август 2008). «Ускользающее поведение, вызванное одиночными спайками, вызванными каналом родопсин-2, в соматосенсорных нейронах рыбок данио» . Curr. Биол . 18 (15): 1133–7. DOI : 10.1016 / j.cub.2008.06.077 . PMC 2891506 . PMID 18682213 .  
  26. ^ Huber Д, Petreanu л, Ghitani N, S Ранаде, Hromádka Т, Mainen Z, K Свобода (январь 2008). «Редкая оптическая микростимуляция в коре головного мозга способствует обучению у свободно движущихся мышей» . Природа . 451 (7174): 61–4. DOI : 10,1038 / природа06445 . PMC 3425380 . PMID 18094685 .  
  27. ^ Хан X, Бойден ES (2007). «Многоцветная оптическая активация, молчание и десинхронизация нейронной активности с временным разрешением в виде одного спайка» . PLoS ONE . 2 (3): e299. DOI : 10.1371 / journal.pone.0000299 . PMC 1808431 . PMID 17375185 .  
  28. ^ Чжан F, Ван LP, Браунер M, Liewald JF, Kay K, Watzke N, Wood PG, Бамберг E, G Nagel, Готшальк A, Дейссерот K (апрель 2007). «Мультимодальный быстрый оптический опрос нейронных схем». Природа . 446 (7136): 633–9. DOI : 10,1038 / природа05744 . PMID 17410168 . 
  29. ^ а б Чжан Ф., Придж М., Бейриер Ф., Цунода С.П., Мэттис Дж., Ижар О, Хегеманн П., Дейссерот К. (июнь 2008 г.). «Оптогенетическое возбуждение с красным смещением: инструмент для быстрого нейронного контроля, полученный из Volvox carteri» . Nat. Neurosci . 11 (6): 631–3. DOI : 10.1038 / nn.2120 . PMC 2692303 . PMID 18432196 .  
  30. ^ Yizhar О, Фенный Л.Е., Prigge М, Шнайдер Ж, Дэвидсон TJ, О'Ши ди - джей, Sohal В.С., Гошен я, Финкельштейн Дж, Паз JT, Stehfest К, Fudim R, Рамакришнано С, Huguenard JR, Hegemann Р, К Дейссеротом (Июль 2011 г.). «Неокортикальный баланс возбуждения / торможения при обработке информации и социальной дисфункции» . Природа . 477 (7363): 171–8. DOI : 10,1038 / природа10360 . PMC 4155501 . PMID 21796121 .  
  31. ^ Zhang YP, Holbro N, Oertner TG (август 2008). «Оптическая индукция пластичности в отдельных синапсах показывает накопление альфаCaMKII, специфичное для входа» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 105 (33): 12039–44. DOI : 10.1073 / pnas.0802940105 . PMC 2575337 . PMID 18697934 .  
  32. ^ Xu Z, Ziye X, Craig H, Silvia F (декабрь 2013 г.). Непрямое обучение на основе шипов виртуального насекомого, управляемого нейронной сетью . Решение и контроль IEEE . С. 6798–6805. CiteSeerX 10.1.1.671.6351 . DOI : 10.1109 / CDC.2013.6760966 . ISBN  978-1-4673-5717-3.
  33. ^ a b Петряну Л., Хубер Д., Собчик А., Свобода К. (май 2007 г.). «Каналродопсин-2-ассистированное схемное картирование длинных мозолистых проекций». Nat. Neurosci . 10 (5): 663–8. DOI : 10.1038 / nn1891 . PMID 17435752 . 
  34. ^ Petreanu L, Мао T, Стернсон С.М., Svoboda K (февраль 2009). «Субклеточная организация нервных связей неокортекса» . Природа . 457 (7233): 1142–5. DOI : 10,1038 / природа07709 . PMC 2745650 . PMID 19151697 .  
  35. ↑ Bi A, Cui J, Ma YP, Olshevskaya E, Pu M, Dizhoor AM, Pan ZH (апрель 2006 г.). «Эктопическая экспрессия родопсина микробного типа восстанавливает зрительные реакции у мышей с дегенерацией фоторецепторов» . Нейрон . 50 (1): 23–33. DOI : 10.1016 / j.neuron.2006.02.026 . PMC 1459045 . PMID 16600853 .  
  36. ^ Lagali PS, Б а л D, Awatramani GB, Мюнх Т.А., Ким Д.С., Busskamp V, Cepko CL, Роска B (июнь 2008). «Активируемые светом каналы, нацеленные на ON биполярные клетки, восстанавливают зрительную функцию при дегенерации сетчатки». Nat. Neurosci . 11 (6): 667–75. DOI : 10.1038 / nn.2117 . PMID 18432197 . 
  37. ↑ Эрнандес В.Х., Герт А., Рейтер К., Цзин З., Йешке М., Мендоза Шульц А., Хох Г., Бартельс М., Фогт Г., Гарнхэм К. В., Яво Х, Фукадзава И., Августин Г. Дж., Бамберг Е., Кюглер С., Салдит Т., де Хоз Л., Стренцке Н., Мозер Т. (февраль 2014 г.). «Оптогенетическая стимуляция слухового пути» . J Clin Invest . 124 (3): 1114–29. DOI : 10.1172 / JCI69050 . PMC 3934189 . PMID 24509078 .  
  38. ^ Магер Т., Лопес де ла Морена Д., Сенн В., Шлотте Дж., Д'Эррико А., Фельдбауэр К., Вробель С., Юнг С., Боденсик К., Ранкович В., Браун Л., Хуэт А., Юттнер Дж, Вуд П. Г., Летцкус Дж. Дж. , Мозер Т., Бамберг Э. (май 2018 г.). «Высокочастотный нервный импульс и звуковая сигнализация с помощью сверхбыстрой оптогенетики с красным смещением» . Nat Commun . 9 (1): 1750. DOI : 10.1038 / s41467-018-04146-3 . PMC 5931537 . PMID 29717130 .  
  39. ^ Keppeler D, Мартинс мериноса R, Лопес де ла Морена D, Бали В, Huet АТ, Gehrt А, Вробель С, Субраманьян S, Домбровский Т, Вольф Ж, Ранкович В, Нееф А, Moser Т (2018). «Сверхбыстрая оптогенетическая стимуляция слухового пути с помощью оптимизированных для нацеливания Chronos» . EMBO J . 37 (24): e99649. DOI : 10.15252 / embj.201899649 . PMC 6293277 . PMID 30396994 .  
  40. ^ Foster KW, Smyth R (1980). «Световые антенны в фототактических водорослях» . Микробиологические обзоры . 44 (4): 572–630. PMC 373196 . PMID 7010112 .  
  41. ^ Фостер кВт, Saranak Дж, Пател Н, Zarilli G, Окаб М, Т Клайн, Наканисуйте К (октябрь 1984 г.). «Родопсин является функциональным фоторецептором фототаксиса у одноклеточных эукариот Chlamydomonas». Природа . 311 (5988): 489–491. DOI : 10.1038 / 311756a0 . PMID 6493336 . 
  42. ↑ Литвин Ф.Ф., Синещеков О.А., Синещеков В.А. (1978). «Электрический потенциал фоторецептора в фототаксисе водоросли Haematococcus pluvialis». Природа . 271 (5644): 476–478. DOI : 10.1038 / 271476a0 . PMID 628427 . 
  43. ↑ Harz H, Hegemann P (июнь 1991). «Регулируемые родопсином кальциевые токи у хламидомонады». Природа . 351 (6326): 489–491. DOI : 10.1038 / 351489a0 .
  44. ^ Голландия Е.М., Браун FJ, Nonnengässer С, Гарц Н, Hegemann Р (февраль 1996 г.). «Природа запускаемых родопсином фототоков у хламидомонады. I. Кинетика и влияние двухвалентных ионов» . Биофиз. Дж . 70 (2): 924–931. DOI : 10.1016 / S0006-3495 (96) 79635-2 . PMC 1224992 . PMID 8789109 .  
  45. ^ Braun FJ, Hegemann P (март 1999). «Две активируемые светом проводимости в глазу зеленой водоросли Volvox carteri» . Биофиз. Дж . 76 (3): 1668–1778. DOI : 10.1016 / S0006-3495 (99) 77326-1 . PMC 1300143 . PMID 10049347 .  
  46. ^ Катерия, С. Фурманн, М. Хегеманн, П .: Прямое представление: ген ретинального связывающего белка (cop4) Chlamydomonas reinhardtii; Регистрационный номер GenBankAF461397
  47. ^ Suzuki T, Yamasaki K, Fujita S, Oda K, Iseki M, Yoshida K, Watanabe M, Daiyasu H, Toh H, Asamizu E, Tabata S, Miura K, Fukuzawa H, Nakamura S, Takahashi T (февраль 2003). «Родопсины архейного типа у Chlamydomonas: модельная структура и внутриклеточная локализация» . Биохим. Биофиз. Res. Commun . 301 (3): 711–7. DOI : 10.1016 / S0006-291X (02) 03079-6 . PMID 12565839 . 
  48. ^ Бертольд P, Tsunoda SP, Эрнст О.П., Маги W, Gradmann D, Hegemann P (июнь 2008). «Каналродопсин-1 инициирует фототаксис и фотофобные реакции у хламидомонады за счет немедленной световой деполяризации» . Растительная клетка . 20 (6): 1665–1677. DOI : 10.1105 / tpc.108.057919 . PMC 2483371 . PMID 18552201 .  
  49. ^ Би, Андин; Цуй, Цзиньцзюань; Ма, Ю-Пин; Ольшевская, Елена; Пу, Минлян; Дижоор, Александр М .; Пан, Чжо-Хуа (апрель 2006 г.). «Эктопическая экспрессия родопсина микробного типа восстанавливает зрительные реакции у мышей с дегенерацией фоторецепторов» . Нейрон . 50 (1): 23–33. DOI : 10.1016 / j.neuron.2006.02.026 . PMC 1459045 . 
  50. ^ Земельман BV, Ли Г.А., Ng M, Miesenböck G (январь 2002). «Избирательная фотостимуляция генетически заряженных нейронов». Нейрон . 33 (1): 15–22. DOI : 10.1016 / S0896-6273 (01) 00574-8 . PMID 11779476 . 
  51. ^ Li X, Gutierrez DV, Hanson MG, Han J, Mark MD, Chiel H, Hegemann P, Landmesser LT, Herlitze S (декабрь 2005 г.). «Быстрая неинвазивная активация и ингибирование нейронной и сетевой активности родопсином позвоночных и каналом родопсина зеленых водорослей» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 102 (49): 17816–21. DOI : 10.1073 / pnas.0509030102 . PMC 1292990 . PMID 16306259 .  
  52. ^ a b Nagel G, Brauner M, Liewald JF, Adeishvili N, Bamberg E, Gottschalk A (декабрь 2005 г.). «Световая активация канала родопсина-2 в возбудимых клетках Caenorhabditis elegans вызывает быстрые поведенческие реакции». Curr. Биол . 15 (24): 2279–84. DOI : 10.1016 / j.cub.2005.11.032 . PMID 16360690 . 
  53. ^ Лима SQ, Miesenböck G (апрель 2005). «Дистанционное управление поведением посредством генетически направленной фотостимуляции нейронов». Cell . 121 (1): 141–52. DOI : 10.1016 / j.cell.2005.02.004 . PMID 15820685 . 
  54. ↑ Zhang F, Wang LP, Boyden ES, Deisseroth K (октябрь 2006 г.). «Каналродопсин-2 и оптический контроль возбудимых клеток». Nat. Методы . 3 (10): 785–92. DOI : 10.1038 / nmeth936 . PMID 16990810 . 
  55. ↑ Lin JY, Lin MZ, Steinbach P, Tsien RY (март 2009 г.). «Характеристика сконструированных вариантов канального родопсина с дальнейшим улучшением фототоков и кинетики» . Биофиз. Дж . 96 (5): 1803–14. DOI : 10.1016 / j.bpj.2008.11.034 . PMC 2717302 . PMID 19254539 .  
  56. ^ Adamantidis AR, Zhang F, Aravanis AM, Дейссерот K, L де Lecea (ноябрь 2007). «Нейронные субстраты пробуждения исследуются с оптогенетическим контролем гипокретиновых нейронов» . Природа . 450 (7168): 420–4. DOI : 10,1038 / природа06310 . PMC 6744371 . PMID 17943086 .  
  57. ^ Tsai HC, Zhang F, Adamantidis A, Stuber GD, Bonci А, де Lecea L, Дейссерот K (май 2009). «Фазовое возбуждение дофаминергических нейронов достаточно для формирования поведенческой обусловленности» . Наука . 324 (5930): 1080–4. DOI : 10.1126 / science.1168878 . PMC 5262197 . PMID 19389999 .  
  58. ^ Грэдинару В, Mogri М, Томпсон К. Р., Хендерсон Дж, Дейссерот К (апрель 2009 г.). «Оптическая деконструкция нервной системы паркинсонизма» . Наука . 324 (5925): 354–9. CiteSeerX 10.1.1.368.668 . DOI : 10.1126 / science.1167093 . PMC 6744370 . PMID 19299587 .   
  59. Перейти ↑ Kravitz AV, Freeze BS, Parker PR, Kay K, Thwin MT, Deisseroth K, Kreitzer AC (июль 2010 г.). «Регуляция паркинсонического моторного поведения оптогенетическим контролем контуров базальных ганглиев» . Природа . 466 (7306): 622–6. DOI : 10,1038 / природа09159 . PMC 3552484 . PMID 20613723 .  
  60. ^ Ли Д.Х., Дюран R, Грэдинару V, Zhang F, Гошен I, Ким Д.С., Fenno LE, Ramakrishnan C, Дейссерот K (июнь 2010). «Глобальные и локальные сигналы фМРТ, управляемые нейронами, оптогенетически определяемыми типом и связью» . Природа . 465 (7299): 788–92. DOI : 10,1038 / природа09108 . PMC 3177305 . PMID 20473285 .  
  61. ^ a b Kätzel D, Zemelman BV, Buetfering C, Wölfel M, Miesenböck G (январь 2011 г.). «Колоннарная и ламинарная организация тормозных связей с возбуждающими клетками неокортекса» . Nat. Neurosci . 14 (1): 100–7. DOI : 10.1038 / nn.2687 . PMC 3011044 . PMID 21076426 .  
  62. ↑ Wang H, Peca J, Matsuzaki M, Matsuzaki K, Noguchi J, Qiu L, Wang D, Zhang F, Boyden E, Deisseroth K, Kasai H, Hall WC, Feng G, Augustine GJ (май 2007). «Высокоскоростное картирование синаптических связей с использованием фотостимуляции у трансгенных мышей Channelrhodopsin-2» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 104 (19): 8143–8. DOI : 10.1073 / pnas.0700384104 . PMC 1876585 . PMID 17483470 .  
  63. ^ Mohanty SK, Reinscheid РК, Лю X, Окамура N, Krasieva TB, Berns МВт (октябрь 2008). «Углубленная активация возбудимых клеток, сенсибилизированных каналом родопсином 2, с высоким пространственным разрешением с использованием двухфотонного возбуждения с помощью лазерного микропучка ближнего инфракрасного диапазона» . Биофиз. Дж . 95 (8): 3916–26. DOI : 10.1529 / biophysj.108.130187 . PMC 2553121 . PMID 18621808 .  
  64. ^ Rickgauer JP, Tank DW (сентябрь 2009). «Двухфотонное возбуждение канала родопсина-2 при насыщении» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 106 (35): 15025–30. DOI : 10.1073 / pnas.0907084106 . PMC 2736443 . PMID 19706471 .  
  65. ^ Andrasfalvy BK, Земельман BV, Tang J, Р.Вазири A (июнь 2010). «Двухфотонный одноклеточный оптогенетический контроль нейрональной активности с помощью скульптурного света» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 107 (26): 11981–6. DOI : 10.1073 / pnas.1006620107 . PMC 2900666 . PMID 20543137 .  
  66. ^ Райнер A, Isacoff EY (октябрь 2013 г. ). «Премия Brain Prize 2013: революция в оптогенетике». Тенденции в неврологии . 36 (10): 557–60. DOI : 10.1016 / j.tins.2013.08.005 . PMID 24054067 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Хегеманн П. (2008). «Сенсорные фоторецепторы водорослей». Annu Rev Plant Biol . 59 : 167–189. DOI : 10.1146 / annurev.arplant.59.032607.092847 . PMID  18444900 . (Естественная функция каналов родопсинов и других фоторецепторов выделена зеленым цветом)
  • Arenkiel BR, Peca J, Davison IG, et al. (Апрель 2007 г.). «In vivo индуцированная светом активация нервных цепей у трансгенных мышей, экспрессирующих канал родопсин-2» . Нейрон . 54 (2): 205–18. DOI : 10.1016 / j.neuron.2007.03.005 . PMC  3634585 . PMID  17442243 . (Использование канального родопсина у трансгенных мышей для изучения схемы мозга)
  • Би А, Цуй Дж., Ма Ю.П. и др. (Апрель 2006 г.). «Эктопическая экспрессия родопсина микробного типа восстанавливает зрительные реакции у мышей с дегенерацией фоторецепторов» . Нейрон . 50 (1): 23–33. DOI : 10.1016 / j.neuron.2006.02.026 . PMC  1459045 . PMID  16600853 . (Использование канального родопсина для лечения слепоты)

Внешние ссылки [ править ]

  • OpenOptogenetics.org , обширная вики по оптогенетике.
  • Ресурсный центр по оптогенетике / лаборатория Deisseroth
  • Лаборатория Бойдена
  • Лаборатория Чжуо-Хуа Пана
  • Лаборатория Hegemann
  • Премия Brain Prize 2013 за изобретение оптогенетики