Хемогенетика
Хемогенетика — это процесс, с помощью которого макромолекулы могут быть созданы для взаимодействия с ранее неизвестными малыми молекулами. Термин «хемогенетика» как термин был первоначально придуман для описания наблюдаемого влияния мутаций на активность халконизомеразы на специфичность субстрата в цветках Dianthus caryophyllus . [1] Этот метод очень похож на оптогенетику ; однако он использует химически модифицированные 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, чтобы изучить взаимосвязь между активностью нейронов и поведением. [2]
Сравнение с оптогенетикой
[ редактировать ]Оптогенетика и хемогенетика — более современные 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 для выполнения этой задачи они используют разные процедуры. Оптогенетика использует светочувствительные каналы и насосы, которые вирусно внедряются в нейроны. Активностью клеток, имеющих эти каналы, можно управлять с помощью света. Хемогенетика, с другой стороны, использует химически модифицированные 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] разнообразные метаболические ферменты , [5] [6] и рецепторы, связанные с G-белком, такие как DREADD . [7] [8] [9] [10]
DREADDs являются наиболее распространенными рецепторами, связанными с G-белком, используемыми в хемогенетике. [11] Эти рецепторы активируются исключительно интересующим препаратом (инертной молекулой) и влияют на физиологические и нервные процессы, которые происходят внутри и за пределами центральной нервной системы. [ нужна ссылка ]
В последнее время хемогенетика получила предпочтение перед оптогенетикой, и она позволяет избежать некоторых проблем оптогенетики. Хемогенетика не требует дорогостоящего светового оборудования, а значит, более доступна. Разрешение в оптогенетике снижается из-за рассеяния света, а уровень освещенности снижается по мере увеличения расстояния между объектом и источником света. Таким образом, эти факторы не позволяют свету воздействовать на все клетки и приводят к снижению пространственного разрешения. Однако хемогенетика не требует использования света и, следовательно, может достичь более высокого пространственного разрешения. [12]
Приложения
[ редактировать ]Использование рецепторов, связанных с G-белком, и хемогенетика в настоящее время являются целями многих фармацевтических компаний для лечения и облегчения симптомов заболеваний, поражающих все ткани организма. [13] В частности, DREADDs использовались для изучения вариантов лечения различных нейродегенеративных и психологических состояний, таких как болезнь Паркинсона, депрессия, тревога и зависимость. Эти вышеупомянутые состояния включают процессы, которые происходят внутри и снаружи 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. [ нужна ссылка ]
Недавно в некоторых исследованиях рассматривалась возможность использования нового метода под названием ретро-DREADD. Этот метод позволяет изучать конкретные нейронные пути при клеточном разрешении. В отличие от классических DREADD, этот метод обычно используется у животных дикого типа, и эти рецепторы передаются целевым клеткам посредством инъекции двух вирусных векторов. [2]
Модели животных
[ редактировать ]DREADDS использовались на многих моделях животных (например, на мышах и других животных, не являющихся приматами) для воздействия на активность различных клеток. Хемогенетика, используемая на животных, помогает демонстрировать модели заболеваний человека, таких как болезнь Паркинсона . Наличие этой информации позволяет ученым понять, можно ли использовать вирусную экспрессию белков DREADD, как энхансеров, так и ингибиторов функций нейронов in vivo, для двунаправленного воздействия на поведение и активность задействованных нейронов. Недавние исследования показали, что DREADD успешно использовались для лечения двигательного дефицита у крыс, моделирующего болезнь Паркинсона. [15] Другие исследования имели успех, связывая использование DREADD и влияние на поиск наркотиков и поведение, повышающее чувствительность к наркотикам. [14]
Развитие хемогенетики от грызунов к приматам, не являющимся человеком, было медленным из-за увеличения затрат времени и средств, связанных с этими проектами. Однако некоторые недавние исследования, проведенные в 2016 году, смогли продемонстрировать успехи, показывающие, что подавление активности нейронов орбитофронтальной коры наряду с удалением ринальной коры ограничивало выполнение задач с вознаграждением у макак. [16]
Ограничения и будущие направления
[ редактировать ]Хемогенетика и использование DREADD позволили исследователям продвинуться в областях биомедицинских исследований, включая многие нейродегенеративные и психиатрические заболевания. В этих областях хемогенетика использовалась для индукции специфических и обратимых поражений головного мозга и, следовательно, для изучения специфической активности популяции нейронов. Хотя хемогенетика обеспечивает специфичность и высокое пространственное разрешение, она по-прежнему сталкивается с некоторыми проблемами при исследовании нервно-психических расстройств. Нервно-психические расстройства обычно имеют сложную природу, при которой поражение головного мозга не является основной причиной. Хемогенетика использовалась для устранения некоторых недостатков, связанных с такими состояниями; однако 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-устойчивой эпилепсии , когда припадки возникают в отдельной части мозга. [17]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Форкманн Г., Дангельмайр Б. (июнь 1980 г.). «Генетический контроль активности халконизомеразы в цветах Dianthus caryophyllus». Биохимическая генетика . 18 (5–6): 519–27. дои : 10.1007/bf00484399 . ПМИД 7437010 . S2CID 19572782 .
- ^ Перейти обратно: 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 . ПМИД 28092807 . S2CID 25055148 .
- ^ Стробель С.А., Ортолева-Доннелли Л., Райдер С.П., Кейт Дж.Х., Монкёр Э. (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 . ПМИД 9437431 . S2CID 20067957 .
- ^ Епископ А.С., Шах К., Лю Ю., Витуки Л., Кунг С., Шокат К.М. (февраль 1998 г.). «Разработка аллель-специфичных ингибиторов для исследования передачи сигналов протеинкиназы» . Современная биология . 8 (5): 257–66. дои : 10.1016/s0960-9822(98)70198-8 . ПМИД 9501066 .
- ^ Колло Дж., Градинару Дж., Умберт Н., Скандер М., Зокки 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 . ПМИД 15369356 .
- ^ Херинг Д., Дистефано, доктор медицинских наук (2001). «Ферменты по дизайну: хемогенетическая сборка активных центров трансаминирования, содержащих остатки лизина, для ковалентного катализа». Биоконъюгатная химия . 12 (3): 385–90. дои : 10.1021/bc000117c . ПМИД 11353536 .
- ^ Стрейдер CD, Гаффни Т., Сагг Э.Э., Канделор М.Р., Киз Р., Патчетт А.А., Диксон Р.А. (январь 1991 г.). «Аллель-специфическая активация генно-инженерных рецепторов» . Журнал биологической химии . 266 (1): 5–8. дои : 10.1016/S0021-9258(18)52392-9 . ПМИД 1670767 .
- ^ Кауард 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. Бибкод : 1998PNAS...95..352C . дои : 10.1073/pnas.95.1.352 . ПМК 18222 . ПМИД 9419379 .
- ^ Весткемпер Р.Б., Хайд Э.Г., Чоудхари М.С., Хан Н., Гельбар Э.И., Гленнон Р.А., Рот Б.Л. (1999). «Разработка области объемной толерантности в рецепторе 5-HT2A». Европейский журнал медицинской химии . 34 (5): 441–447. дои : 10.1016/s0223-5234(99)80094-4 .
- ^ Армбрустер Б.Н., Ли Х, Пауш М.Х., Херлитце С., Рот Б.Л. (март 2007 г.). «Развитие замка так, чтобы он соответствовал ключу, для создания семейства рецепторов, связанных с G-белком, мощно активируемых инертным лигандом» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (12): 5163–8. дои : 10.1073/pnas.0700293104 . ПМЦ 1829280 . ПМИД 17360345 .
- ^ Рот Б.Л. (февраль 2016 г.). «УЖАСЫ для нейробиологов» . Нейрон . 89 (4): 683–94. дои : 10.1016/j.neuron.2016.01.040 . ПМЦ 4759656 . ПМИД 26889809 .
- ^ Монтгомери К.Л., Йе А.Дж., Хо Дж.С., Цао В., Мохан Айер С., Гросеник Л., Ференци Э.А., Танабе Ю., Дейссерот К., Дельп С.Л., Пун А.С. (октябрь 2015 г.). «Полностью внутренняя оптогенетика с беспроводным питанием для мозга, спинного мозга и периферических цепей у мышей» . Природные методы . 12 (10): 969–74. дои : 10.1038/nmeth.3536 . ПМК 5507210 . ПМИД 26280330 .
- ^ Смит Р.С., Ху Р., ДеСоуза А., Эберли С.Л., Крахе К., Чан В., Аранеда Р.К. (июль 2015 г.). «Дифференциальная мускариновая модуляция в обонятельной луковице» . Журнал неврологии . 35 (30): 10773–85. doi : 10.1523/JNEUROSCI.0099-15.2015 . ПМЦ 4518052 . ПМИД 26224860 .
- ^ Перейти обратно: а б Волков Н.Д., Кооб Г.Ф., Маклеллан А.Т. (январь 2016 г.). «Нейробиологические достижения модели зависимости от заболеваний головного мозга» . Медицинский журнал Новой Англии . 374 (4): 363–71. дои : 10.1056/nejmra1511480 . ПМК 6135257 . ПМИД 26816013 .
- ^ Пиенаар И.С., Гартсайд С.Е., Шарма П., Де Паола В., Гретенкорд С., Уизерс Д., Элсон Дж.Л., Декстер Д.Т. (сентябрь 2015 г.). «Фармакогенетическая стимуляция холинергических педункулопонтинных нейронов устраняет двигательный дефицит на крысиной модели болезни Паркинсона» . Молекулярная нейродегенерация . 10:47 . дои : 10.1186/s13024-015-0044-5 . ПМК 4580350 . ПМИД 26394842 .
- ^ Гальван А., Кайола М.Дж., Албо Д.Л. (март 2018 г.). «Достижения в области оптогенетических и хемогенетических методов изучения цепей мозга у приматов, не являющихся человеком» . Журнал нейронной передачи . 125 (3): 547–563. дои : 10.1007/s00702-017-1697-8 . ПМЦ 5572535 . ПМИД 28238201 .
- ^ Кетцель Д., Николсон Э., Шорге С., Уокер М.К., Куллманн Д.М. (май 2014 г.). «Химико-генетическое затухание фокальных неокортексальных судорог» . Природные коммуникации . 5 : 3847. Бибкод : 2014NatCo...5.3847K . дои : 10.1038/ncomms4847 . ПМК 4050272 . ПМИД 24866701 .