1、光遗传学的定义和基本原理 光遗传学的基本操作 光遗传学的发展和研究内容 光遗传学的应用及实例 目录 光遗传学：一项注定要获得诺贝尔奖的技术 大脑装上光控开关假想图 用于光与大脑研究的小鼠 光遗传学 遗传学 光学 光遗传学的定义和基本原理 一、将光敏感的分子或光敏感的离子通道转移到神经细胞里面； 二、用光来照射这个神经细胞使神经细胞被激活或抑制。 光遗传学的定义和基本原理 光 敏 蛋白表达 光 敏 蛋白被光激活 视网膜中的 光感受器细胞和视紫红质 光遗传学的定义和基本原理 视蛋 白：实现光开关的关键部分 ，它充 当着离子通道或离子泵的角色 盐视紫红质 (NpHR) 氯离 子泵，氯离子内流，引起超
2、极化 通道视紫红质 (ChR) 阳离子内 流，引 起去极化 型视 蛋白 (optoXR) 必须偶联到一种转导蛋白上才能实现对光反应。 一般用来调控信号通路。 哺乳动物视网膜上的视紫红质就是此类蛋白。 细菌视紫红质 (BR) 质子泵，质子外流，引起超极化 光敏蛋白例子 光敏蛋白工作原理动图 光遗传学的基本操作 光遗传学 光源 （激 光 /LED） 光纤、跳线等 病毒表达或转基因 遗传操作 光学控制 操作 操作步骤 病毒表达 病毒注射 promoter opsin 质粒 AAV病毒 病毒表达 pAAV-hSyn-Con/Fon hChR2(H134R)-EYFP-WPRE pAAV-hSyn-eN
3、pHR 3.0-EYFP pAAV-CaMKIIa-eNpHR3.0-EYFP pAAV-CamKII-hChR2 (T159C)-p2A-EYFP-WPRE pAAV-hThy1-eArch 3.0-EYFP pAAV-Ef1a-DIO hChR2(H134R)-EYFP-WPRE pAAV-Ef1a-DIO eArch 3.0-EYFP Promoter： 广谱 : Syn， Thy1 特异 ： CamK II, ChAT, GFAP, c-Fos Cre/loxp系统 ： DIO+cre transgenic mice 转基因 Thy1-ChR2-eYFP ai27,ai32,ai35,
4、ai39 Loxp-ChR2-mCherry Loxp-ChR2-eYFP Loxp-Arch-eYFP Loxp-NpHR-eYFP Ai39+PV-cre 光学操作 Laser LED 插芯 套管 光源控制器 Walther Stoeckenius 发现细菌视紫红蛋白 Karl Deisseroth 微生物视蛋白用于光操控 Karl Deisseroth 光操控用于哺乳动物 光遗传学技术的应用得到飞速发展 FDA已批准光遗传学治疗失明的临床试验 1971 2005 2007 2015 光遗传学的发展 2010 光遗传学的发展 图为 2005年光遗传学第一次出现开始至今相关的论文数量（来自N
5、ature Neuroscience， 2015， 18:1213-1225） 研究和改造各种视蛋白 研究神经回路和功能 研究心脏细胞干细胞等功能 光遗传学的方法不仅可以用来研究神经细胞，也能用来研究其他细胞的功能。 作为光遗传学的重要工具，寻找符合要求且效率高的视蛋白十分重要。 研究神经细胞的功能是控制大脑的必经之路，另外了解并控制其功能有望治愈多种神经方面的疾病。 光遗传学的研究内容 光遗传学的应用前景 光遗传学的应用范围 利用光遗传学技术解释某些生物现象 利用光遗传学技术对哺乳动物行为进 行 调 控 靶向研究不同种类细胞的生命活动和功能 改善或治愈某些因神经系统功能障碍所引起的疾病 医学
6、 分子生物学 神经生物学 光遗传学的应用前景 可以极大地缓解由慢性压力引起的抑郁样症状 选择性激活 VTA多巴胺神经元 用相应视蛋白代替视网膜细胞 视网膜出了问题 用遗传光学的方法提高细胞活性 病因是脑细胞退化 植入运动神经元的拟胚 神经损伤 肢体功能障碍 老年痴呆症 部分眼疾 抑郁症 疾病 用光遗传学 的方法治疗疾病 Polygon图案化照明系统 Polygon 400 任性刺激形状编辑，多点、 多 波长 同 时刺激 Polygon图案化照明系统 操作实例 安装简单方便 DLP技术的工作原理 应用实例 Fishell Research Group New York, New York, USA 输入环路整合 应用实例 Rice University, Houston University of Western Sydney, Australia 亚细胞结构刺激
