Хемогенетика - Chemogenetics

Хемогенетика это процесс, посредством которого макромолекулы могут быть созданы для взаимодействия с ранее неизвестными небольшими молекулами. Хемогенетика как термин изначально был придуман для описания наблюдаемых эффектов мутаций на халкон-изомераза активность на субстратные особенности цветков Dianthus caryophyllus.[1] Этот метод очень похож на оптогенетика; однако он использует химически созданные молекулы и лиганды вместо света и светочувствительных каналов, известных как опсины.

В недавних исследовательских проектах хемогенетика широко использовалась для понимания взаимосвязи между активностью мозга и поведением. До хемогенетики исследователи использовали такие методы, как транскраниальная магнитная стимуляция и глубокая стимуляция мозга изучить взаимосвязь между нейрональной активностью и поведением.[2]

Сравнение с оптогенетикой

Оптогенетика и хемогенетика - более свежие и популярные методы, используемые для изучения этой взаимосвязи. Оба эти метода нацелены на определенные цепи мозга и популяцию клеток, чтобы влиять на активность клеток. Однако они используют разные процедуры для выполнения этой задачи. Оптогенетика использует светочувствительные каналы и насосы, которые вирусным образом вводятся в нейроны. Активностью клеток, имеющих эти каналы, можно управлять с помощью света. Хемогенетика, с другой стороны, использует химически сконструированные рецепторы и экзогенные молекулы, специфичные для этих рецепторов, чтобы влиять на активность этих клеток. Сконструированные макромолекулы, используемые для создания этих рецепторов, включают: гибриды нуклеиновых кислот,[3] киназы,[4] Разновидность метаболические ферменты,[5][6] и Рецепторы, сопряженные с G-белком Такие как DREADDs.[7][8][9][10]

DREADD - это наиболее распространенные рецепторы, связанные с G-белком, используемые в хемогенетике.[11] Эти рецепторы активируются только исследуемым лекарственным средством (инертной молекулой) и влияют на физиологические и нервные процессы, происходящие внутри и за пределами центральной нервной системы.

В последнее время хемогенетика стала предпочтительнее оптогенетики, и она позволяет избежать некоторых проблем оптогенетики. Хемогенетика не требует дорогостоящего светового оборудования, а значит, более доступна. Разрешение в оптогенетическом режиме снижается из-за рассеяния света и уровня освещенности по мере увеличения расстояния между объектом и источником света. Эти факторы, таким образом, не позволяют воздействовать светом на все клетки и приводят к более низкому пространственному разрешению. Однако хемогенетика не требует использования света и, следовательно, может обеспечить более высокое пространственное разрешение.[12]

Приложения

Использование рецепторов, сопряженных с G-белком, и хемогенетика в настоящее время являются целью многих фармацевтических компаний для лечения и облегчения симптомов заболеваний, поражающих все ткани тела.[13] В частности, DREADD использовались для изучения вариантов лечения различных нейродегенеративных и психологических состояний, таких как болезнь Паркинсона, депрессия, тревожность и зависимость. Эти вышеупомянутые состояния включают процессы, которые происходят внутри и вне нервной системы с участием нейротрансмиттеров, таких как гамма-аминомасляная кислота и глутамат.[14] Поэтому хемогенетика используется в фармакологии для регулирования уровней таких нейротрансмиттеров в конкретном нейроне при минимизации побочных эффектов лечения. Для лечения и облегчения симптомов любого заболевания с помощью DREADD эти рецепторы доставляются в интересующую область посредством вирусной трансдукции.

В последнее время в некоторых исследованиях рассматривается возможность использования нового метода, называемого ретро DREADD. Этот метод позволяет изучать конкретные нейрональные пути при разрешении клеток. В отличие от классических DREADD, этот метод обычно используется на животных дикого типа, и эти рецепторы передаются клеткам-мишеням посредством инъекции двух вирусных векторов.[2]

Модели животных

DREADDS использовались во многих моделях животных (например, мышей и других животных, не являющихся приматами), чтобы нацеливать и влиять на активность различных клеток. Хемогенетика, используемая на животных, помогает продемонстрировать модели болезней человека, такие как болезнь Паркинсона. Эта информация позволяет ученым понять, можно ли использовать вирусную экспрессию белков DREADD, как энхансеры in vivo, так и ингибиторы нейрональной функции, для двунаправленного воздействия на поведение и активность вовлеченных нейронов. Недавние исследования показали, что DREADD успешно использовались для лечения двигательного дефицита у крыс, моделирующих болезнь Паркинсона.[15] В других исследованиях были достигнуты успехи, связывающие использование DREADD и влияние на поиск наркотиков и поведение, связанное с наркотической сенсибилизацией.[14]

Прогресс хемогенетики от грызунов к нечеловеческим приматам был медленным из-за увеличения потребности во времени и затрат, связанных с этими проектами. Однако некоторые недавние исследования в 2016 году смогли продемонстрировать успехи, показывающие, что подавление активности нейронов в орбитофронтальная кора вместе с удалением кора головного мозга, ограничено выполнение задачи вознаграждения у макак.[16]

Ограничения и будущие направления

Хемогенетика и использование DREADD позволили исследователям продвинуться в областях биомедицинских исследований, включая многие нейродегенеративный и психиатрические состояния. Хемогенетика использовалась в этих областях для индукции специфических и обратимых поражений мозга и, следовательно, для изучения специфической активности популяции нейронов. Хотя хемогенетика предлагает специфичность и высокое пространственное разрешение, она все еще сталкивается с некоторыми проблемами при использовании в исследованиях. психоневрологический расстройства. Психоневрологические расстройства обычно имеют сложную природу, при которой поражения головного мозга не были идентифицированы в качестве основной причины. Хемогенетика использовалась для устранения некоторых недостатков, возникающих при таких условиях; однако ему не удалось определить основную причину нервно-психических заболеваний и полностью вылечить эти состояния из-за сложной природы этих состояний. Тем не менее, хемогенетика успешно использовалась в доклинической модели лекарственно-устойчивого эпилепсия, где судороги возникают в дискретной части мозга.[17]

Рекомендации

  1. ^ Форкманн Г., Дангельмайр Б. (июнь 1980 г.). «Генетический контроль активности халконизомеразы в цветках Dianthus caryophyllus». Биохимическая генетика. 18 (5–6): 519–27. Дои:10.1007 / bf00484399. PMID  7437010.
  2. ^ а б Добжанский Г., Коссут М. (апрель 2017 г.). «Применение техники DREADD в биомедицинских исследованиях мозга». Фармакологические отчеты. 69 (2): 213–221. Дои:10.1016 / j.pharep.2016.10.015. PMID  28092807.
  3. ^ Штробель С.А., Ортолева-Доннелли Л., Райдер С.П., Кейт Дж. Х., Moncoeur E (январь 1998 г.). «Дополнительные наборы неканонических пар оснований опосредуют упаковку спирали РНК в активном сайте интрона группы I». Структурная биология природы. 5 (1): 60–6. Дои:10.1038 / nsb0198-60. PMID  9437431.
  4. ^ Епископ А.С., Шах К., Лю Й., Витуки Л., Кунг С., Шокат К.М. (февраль 1998 г.). «Дизайн аллель-специфических ингибиторов для исследования передачи сигналов протеинкиназы». Текущая биология. 8 (5): 257–66. Дои:10.1016 / s0960-9822 (98) 70198-8. PMID  9501066.
  5. ^ Коллот Дж., Градинару Дж., Гумберт Н., Скандер М., Зоччи А., Уорд Т. Р. (июль 2003 г.). «Искусственные металлоферменты для энантиоселективного катализа на основе биотин-авидина». Журнал Американского химического общества. 125 (30): 9030–1. Дои:10.1021 / ja035545i. PMID  15369356.
  6. ^ Херинг Д., Дистефано Мэриленд (2001). «Ферменты по дизайну: хемогенетическая сборка активных центров трансаминирования, содержащих остатки лизина для ковалентного катализа». Биоконъюгат химия. 12 (3): 385–90. Дои:10.1021 / bc000117c. PMID  11353536.
  7. ^ Strader CD, Gaffney T, Sugg EE, Candelore MR, Keys R, Patchett AA, Dixon RA (январь 1991 г.). «Аллель-специфическая активация генно-инженерных рецепторов». Журнал биологической химии. 266 (1): 5–8. PMID  1670767.
  8. ^ Трус П., Вада Х. Г., Фальк М. С., Чан С. Д., Мэн Ф., Акил Х., Конклин Б. Р. (январь 1998 г.). «Управление передачей сигналов с помощью специально разработанного Gi-связанного рецептора». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 95 (1): 352–7. Дои:10.1073 / пнас.95.1.352. ЧВК  18222. PMID  9419379.
  9. ^ Westkaemper RB, Hyde EG, Choudhary MS, Khan N, Gelbar EI, Glennon RA, Roth BL (1999). «Разработка области толерантности к 5-HT2A рецепторам». Европейский журнал медицинской химии. 34 (5): 441–447. Дои:10.1016 / с0223-5234 (99) 80094-4.
  10. ^ Армбрустер Б.Н., Ли Х, Пауш М.Х., Герлитце С., Рот Б.Л. (март 2007 г.). «Развитие замка, чтобы он соответствовал ключу, чтобы создать семейство рецепторов, связанных с G-белком, активно активируемых инертным лигандом». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 104 (12): 5163–8. Дои:10.1073 / pnas.0700293104. ЧВК  1829280. PMID  17360345.
  11. ^ Рот Б.Л. (февраль 2016 г.). "СТРАДЫ ДЛЯ Нейробиологов". Нейрон. 89 (4): 683–94. Дои:10.1016 / j.neuron.2016.01.040. ЧВК  4759656. PMID  26889809.
  12. ^ Монтгомери К.Л., Йе А.Дж., Хо Дж. С., Цао В., Мохан Айер С., Гросеник Л., Ференци Е. А., Танабе И., Дейссерот К., Делп С. Л., Пун А. С. (октябрь 2015 г.). «Полностью внутренняя оптогенетика с беспроводным питанием для мозга, спинного мозга и периферических контуров у мышей». Методы природы. 12 (10): 969–74. Дои:10.1038 / nmeth.3536. ЧВК  5507210. PMID  26280330.
  13. ^ Смит Р.С., Ху Р., ДеСоуза А., Эберли К.Л., Крахе К., Чан В., Аранеда Р.К. (июль 2015 г.). «Дифференциальная мускариновая модуляция обонятельной луковицы». Журнал неврологии. 35 (30): 10773–85. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.0099-15.2015. ЧВК  4518052. PMID  26224860.
  14. ^ а б Волков Н.Д., Кооб Г.Ф., Маклеллан А.Т. (январь 2016 г.). «Нейробиологические достижения модели зависимости от болезни мозга». Медицинский журнал Новой Англии. 374 (4): 363–71. Дои:10.1056 / nejmra1511480. ЧВК  6135257. PMID  26816013.
  15. ^ Пиенаар И.С., Гартсайд С.Е., Шарма П., Де Паола В., Гретенкорд С., Уизерс Д., Элсон Д. Л., Декстер Д. Т. (сентябрь 2015 г.). «Фармакогенетическая стимуляция холинергических педункулопонтиновых нейронов устраняет двигательный дефицит в модели болезни Паркинсона на крысах». Молекулярная нейродегенерация. 10: 47. Дои:10.1186 / s13024-015-0044-5. ЧВК  4580350. PMID  26394842.
  16. ^ Гальван А., Кайола MJ, Albaugh DL (март 2018 г.). «Достижения в оптогенетических и хемогенетических методах изучения мозговых цепей у нечеловеческих приматов». Журнал нейронной передачи. 125 (3): 547–563. Дои:10.1007 / s00702-017-1697-8. ЧВК  5572535. PMID  28238201.
  17. ^ Kätzel D, Nicholson E, Schorge S, Walker MC, Kullmann DM (май 2014 г.). «Химико-генетическое ослабление фокальных неокортикальных припадков». Nature Communications. 5: 3847. Дои:10.1038 / ncomms4847. ЧВК  4050272. PMID  24866701.