前言:
光遗传技术应用于神经科学的研究已经非常广泛,通过该技术人们可以操控特定脑区、特定神经元的活动,研究其生理功能。最近,该技术得到进一步发展,美国科罗拉多大学的Matthew J. Kennedy教授成功将光遗传技术应用在对突触受体的控制中,研究受体活动与突触传递的关系,该研究刊登在2017年2月8日的Neuron杂志[1]。
精彩呈现:
众所周知,伴随突触可塑性,突触后致密带(Postsynaptic Density, PSD)的分子组成,特别是受体的分布会发生显著变化,了解该变化是突触可塑性研究的重要方向之一。本文中,Kennedy教授等人开发了基于光遗传学技术的新方法,用于调控PSD内大量的特异分子,研究PSD内AMPA受体(一种谷氨酸受体)与突触传递强度的关系。令人惊讶的是,作者发现兴奋性突触中加入更多的AMPA受体对于突触传递强度的影响有限,但突触量子传递的频率(Quantal Frequency)显著提高。再进一步研究,作者提供证据证明了沉默型突触(一类无或仅有很少AMPA受体存在的突触)的存在。下面对该技术策略以及主要发现进行介绍。
CRY2/CIB1光遗传系统
作者应用CRY2/CIB1系统进行研究[2],该系统中,CRY2与CIB1在无光时不聚合,而在蓝光存在时聚合,发挥其功能。
应用该策略,作者将CRY2蛋白锚定在突触后膜(利用homer1c或PSD95),之后通过CIB连接特定蛋白(下图中的红色X)导入细胞,即能够通过照射蓝光来控制X蛋白的表达位置。
![](/uploads/allimg/2019/11/7vaiuy.png)
文中,作者利用CRY2/CIB1系统检验了以下两个蛋白CaMKII和GluA1的功能:
1.CIB-CaMKII激活NMDA受体活动
无光时,CIB-mCh-CaMKII在胞质中,蓝光照射后(time=0),CIB-mCh-CaMKII迅速聚集于PSD,并能够产生类似cLTP的效应(下图右侧红色曲线为cLTP,蓝色曲线为光照效应)。
![](/uploads/allimg/2019/11/YFN7fm.png)
2.CIB-GluA1与CRY2结合帮助AMPA受体在PSD表达
作者将CIB与GluA1连接,作为外源受体导入细胞。无光时,该受体在细胞膜游离;照光时,由于CIB与CRY2结合,导致该受体聚集于PSD,从而能够检验该受体的功能。
![](/uploads/allimg/2019/11/6BBRZb.png)
获得该工具后,作者利用膜片钳技术结合上述策略,检验了PSD中AMPA受体与突触传递强度的关系,结果如下:
1.照光后,电刺激诱发的突触后电流增大;
![](/uploads/allimg/2019/11/v6fQzq.png)
2.照光后,量子神经递质释放相关的asynchronous EPSCs (aEPSCs,下图星号)幅度不变,频率增高;
![](/uploads/allimg/2019/11/BFZzE3.png)
3.照光后,mEPSCs频率提高,幅度不变;
![](/uploads/allimg/2019/11/2uiMFj.png)
最后,他们通过多个实验证明增多的自发电流活动可能是激活了沉默型突触的活动。沉默型突触是一类无或只有很少AMPA受体的兴奋性突触,其只有在AMPA受体结合到突触后,或者去极化突触后膜的情况下才能完成突触传递。作者通过CRY2/CIB在PSD插入AMPA受体,但由于PSD容量有限,新插入的AMPA受体要么是取代了原本存在的AMPA受体,要么是插入沉默型突触后PSD,因而突触传递强度不变,频率增高。
参考文献:
[1]. Sinnen, B.L., et al., Optogenetic Control of Synaptic Composition and Function. Neuron, 2017. 93(3): p. 646-660 e5.
[2]. Kennedy, M.J., et al., Rapid blue-light-mediated induction of protein interactions in living cells. Nat Methods, 2010. 7(12): p. 973-5.
总结:
CRY2/CIB系统是一类新颖的,不同与ChR2、NpHR等光敏通道的光遗传工具。借助该系统,我们能够通过与特定蛋白结合,特异性操作某些蛋白(如PSD或突触前的蛋白),研究突触传递的功能。
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