Фототаксис и фотоориентация микроводорослей изучались более ста лет во многих лабораториях по всему миру. В 1980 году Кен Фостер разработал первую последовательную теорию о функциональности глаз водорослей. [3] Он также проанализировал опубликованные спектры действия и дополнил слепые клетки ретином и аналогами ретиналя, что привело к выводу, что фоторецептором для реакций на движение у Chlorophyceae является родопсин . [4]
Фототоки Chlorophyceae Haematococcus pluvialis и Chlamydomonas reinhardtii изучались в течение многих лет в группах Олега Синещекова и Питера Хегеманна . [5] [6] На основе спектроскопии действия и одновременной регистрации фототоков и биения жгутиков было установлено, что фоторецепторные токи и последующие движения жгутиков опосредуются родопсином и контролируют фототаксис и фотофобные реакции. Чрезвычайно быстрый рост фоторецепторного тока после короткой вспышки света привел к выводу, что родопсин и канал тесно связаны в белковом комплексе или даже в пределах одного белка. [7] [8]
Название «каналродопсин» было придумано, чтобы подчеркнуть это необычное свойство, и последовательности были переименованы соответствующим образом. Нуклеотидные последовательности родопсинов, которые теперь называются каналродопсинами ChR1 и ChR2, были наконец обнаружены в крупномасштабном проекте секвенирования EST в C. reinhardtii . Независимая отправка одних и тех же последовательностей в GenBank тремя исследовательскими группами вызвала путаницу в отношении их наименований: Названия cop-3 и cop-4 использовались для первоначальной отправки группой Хегеманна; [9] csoA и csoB группой Спудича; [2] и acop-1 и acop-2 группой Такахаши. [10] Было обнаружено, что обе последовательности функционируют как однокомпонентные активируемые светом катионные каналы в ооцитах Xenopus и клетках почек человека (HEK). [1] [11]
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 [12] .
Природный («дикий тип») ChR2 поглощает синий свет с максимумом спектра поглощения и действия при 480 нм. [14] Когда комплекс полностью транс -ретиналя поглощает фотон , он вызывает конформационное изменение от полностью транс- к 13- цис -ретиналю. Это изменение вносит еще одно изменение в трансмембранный белок, открывая пору по крайней мере до 6 Å. В течение миллисекунд ретиналь расслабляется обратно в полностью транс-форму, закрывая пору и останавливая поток ионов. [11] Большинство природных каналородопсинов являются неспецифическими катионными каналами (CCR), проводящими ионы H + , Na + , K + и Ca 2+ . Анионопроводящие каналородопсины (ACR) [15] и калий-селективные каналородопсины (HcKCR1, HcKCR2) [16] были структурно проанализированы, чтобы понять их ионную селективность. [17] [18] ACR и KCR использовались для ингибирования нейронной активности. Недавно обнаруженные вирусные канальные родопсины (VCR1) локализуются на мембране эндоплазматического ретикулума и приводят к высвобождению кальция при освещении. [19]
Развитие как молекулярный инструмент
В 2005 году три группы последовательно разработали ChR2 как инструмент для генетически направленного оптического дистанционного управления ( оптогенетики ) нейронами , нейронными цепями и поведением.
Сначала лаборатория Карла Дейссерота продемонстрировала, что ChR2 может быть использован для управления нейронами млекопитающих in vitro , достигая временной точности порядка миллисекунд (как с точки зрения задержки спайка, так и с точки зрения временного дрожания). [20] Поскольку все опсины требуют ретиналь в качестве светочувствительного кофактора, и было неясно, будут ли центральные нервные клетки млекопитающих содержать достаточные уровни ретиналя, но они содержат. Он также показал, несмотря на небольшую проводимость одного канала, достаточную эффективность для того, чтобы вывести нейроны млекопитающих выше порога потенциала действия. С этого момента каналородопсин стал первым оптогенетическим инструментом, с помощью которого нейронная активность могла контролироваться с временной точностью, с которой работают нейроны (миллисекунды). Позднее было опубликовано второе исследование, подтверждающее способность ChR2 контролировать активность нейронов позвоночных , в то время в спинном мозге цыпленка. [21] Это исследование было первым, в котором ChR2 экспрессировался вместе с оптическим глушителем, в данном случае родопсином -4 позвоночных, что впервые продемонстрировало, что возбудимые клетки можно активировать и заглушать, используя эти два инструмента одновременно, освещая ткань на разных длинах волн.
Было продемонстрировано, что ChR2, если он экспрессируется в определенных нейронах или мышечных клетках, может вызывать предсказуемое поведение, т. е. может контролировать нервную систему неповрежденного животного, в данном случае беспозвоночного C. elegans . [22] Это было первое использование ChR2 для управления поведением животного в оптогенетическом эксперименте, делая генетически определенный тип клеток объектом оптического дистанционного управления. Хотя оба аспекта были проиллюстрированы ранее в том же году группой Геро Мизенбёка , развернувшей косвенно светочувствительный ионный канал P2X2, [23] с этого момента именно микробные опсины, такие как каналородопсин, доминировали в области генетически направленного дистанционного управления возбудимыми клетками из-за мощности, скорости, нацеливаемости, простоты использования и временной точности прямой оптической активации, не требующей никаких внешних химических соединений, таких как лиганды в клетке. [24]
Чтобы преодолеть его основные недостатки – небольшую проводимость одного канала (особенно в стационарном состоянии), ограничение одной оптимальной длиной волны возбуждения (~470 нм, синий), а также относительно длительное время восстановления, не позволяющее контролировать активацию нейронов выше 20–40 Гц – ChR2 был оптимизирован с помощью генной инженерии . Точечная мутация H134R (замена аминокислоты гистидина в позиции 134 нативного белка на аргинин) привела к увеличению проводимости в стационарном состоянии, как описано в статье 2005 года, которая также установила ChR2 как оптогенетический инструмент у C. elegans . [22] В 2009 году лаборатория Роджера Циена оптимизировала ChR2 для дальнейшего увеличения проводимости в стационарном состоянии и значительно снизила десенсибилизацию, создав химеры ChR1 и ChR2 и мутировав определенные аминокислоты, что дало ChEF и ChIEF, что позволило управлять сериями потенциалов действия до 100 Гц. [25] [26] В 2010 году группы Хегеманна и Дейссерота ввели мутацию E123T в нативный ChR2, что дало ChETA, который имеет более быструю кинетику включения и выключения , что позволило контролировать отдельные потенциалы действия на частотах до 200 Гц (в соответствующих типах клеток). [27] [25]
Группы Хегеманна и Дейссерота также обнаружили, что введение точечной мутации C128S делает полученное производное ChR2 инструментом ступенчатой функции: будучи «включенным» синим светом, ChR2(C128S) остается в открытом состоянии до тех пор, пока не будет выключен желтым светом — модификация, которая ухудшает временную точность, но увеличивает светочувствительность на два порядка. [28] Они также обнаружили и охарактеризовали VChR1 в многоклеточных водорослях Volvox carteri . VChR1 производит только крошечные фототоки, но со спектром поглощения, который смещен в красную сторону относительно ChR2. [29] Используя части последовательности ChR1, амплитуда фототока была позже улучшена, чтобы обеспечить возбуждение двух популяций нейронов на двух различных длинах волн. [30]
Группа Дейссерота была пионером во многих приложениях на живых животных, таких как генетически направленное дистанционное управление у грызунов in vivo , [31] оптогенетическая индукция обучения у грызунов, [32] экспериментальное лечение болезни Паркинсона у крыс, [33] [34] и сочетание с фМРТ (опто-фМРТ). [35] Другие лаборатории были пионерами в сочетании стимуляции ChR2 с визуализацией кальция для полностью оптических экспериментов, [36] картирования дальних [37] и локальных [38] нейронных цепей, экспрессии ChR2 из трансгенного локуса — напрямую [39] или в условной парадигме Cre-lox [38] — а также двухфотонного возбуждения ChR2, позволяющего активировать отдельные клетки. [40] [41] [42]
В марте 2013 года премия имени Греты Лундбек за исследования мозга (European Brain Research Prize) была совместно присуждена Бамбергу, Бойдену, Дайссерот, Хегеманн, Мизенбеку и Нагелю за «изобретение и усовершенствование оптогенетики». [43] В том же году Хегеманн и Нагель получили премию Луи-Жанте по медицине за «открытие каналородопсина». В 2015 году Бойден и Дайссерот получили премию за прорыв в области наук о жизни , а в 2020 году Мизенбек, Хегеманн и Нагель получили премию Шоу в области наук о жизни и медицины за разработку оптогенетики.
Дизайнер-каналродопсины
Каналородопсины являются ключевыми инструментами в оптогенетике . C-концевой конец каналородопсина-2 простирается во внутриклеточное пространство и может быть заменен флуоресцентными белками, не влияя на функцию канала. Этот тип конструкции слияния может быть полезен для визуализации морфологии клеток, экспрессирующих ChR2, т. е. одновременно указывает, какие клетки помечены FP, и позволяет каналородопсину контролировать активность. [20] [36] Было показано, что точечные мутации, близкие к карману связывания сетчатки, влияют на биофизические свойства каналородопсина, что приводит к появлению множества различных инструментов.
Кинетика
Закрытие канала после оптической активации может быть существенно отсрочено путем мутации остатков белка C128 или D156. Эта модификация приводит к сверхчувствительным каналородопсинам, которые могут открываться синим световым импульсом и закрываться зеленым или желтым световым импульсом (ступенчатые опсины). [28] [44] [30] Мутация остатка E123 ускоряет кинетику канала (ChETA), и полученные мутанты ChR2 использовались для импульсации нейронов с частотой до 200 Гц. [27] В целом каналородопсины с медленной кинетикой более чувствительны к свету на уровне популяции, поскольку открытые каналы накапливаются со временем даже при низких уровнях освещенности.
Амплитуда фототока
Мутанты H134R и T159C демонстрируют повышенные фототоки, а комбинация T159 и E123 (ET/TC) имеет немного большие фототоки и немного более быструю кинетику, чем дикий тип ChR2. [45] ChIEF, химера и точечный мутант ChR1 и ChR2, демонстрирует большие фототоки, небольшую десенсибилизацию и кинетику, похожую на дикий тип ChR2. [25] Варианты с увеличенным временем открытия (ChR2-XXL) производят чрезвычайно большие фототоки и очень светочувствительны на уровне популяции. [46]
Длина волны
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). [30] [47] ReaChR улучшил мембранный трафик и сильную экспрессию в клетках млекопитающих и использовался для минимально инвазивной транскраниальной активации мотонейронов ствола мозга . Поиски гомологичных последовательностей в других организмах дали спектрально улучшенные и более сильные канальные родопсины со смещением в красную область (Chrimson). [48] В сочетании с ChR2 эти светочувствительные к желтому/красному свету канальные родопсины позволяют контролировать две популяции нейронов независимо с помощью световых импульсов разных цветов. [49] [50]
Сине-смещенный каналородопсин был обнаружен в водоросли Scherffelia dubia . После некоторой инженерии для улучшения мембранного трафика и скорости, полученный инструмент (CheRiff) производил большие фототоки при возбуждении 460 нм. [51] Он был объединен с генетически кодируемым индикатором кальция jRCaMP1b [52] в полностью оптической системе, называемой OptoCaMP. [53]
Ионная селективность
Большинство каналородопсинов являются неспецифическими катионными каналами. При экспрессии в нейронах они проводят в основном ионы Na + и, следовательно, являются деполяризующими (возбуждающими). Были разработаны варианты с умеренной или высокой проницаемостью для кальция (CatCh, CapChRs). [54] [55] K + -специфические каналородопсины (KCRs, WiChR) были недавно обнаружены у различных простейших . [56] [57] При экспрессии в нейронах калий-селективные каналородопсины гиперполяризуют мембрану при освещении, предотвращая генерацию спайков (ингибиторные).
Мутация E90 в положительно заряженную аминокислоту аргинин превращает каналородопсин из неспецифического катионного канала в хлорид-проводящий канал (ChloC). [58] Селективность для Cl- была дополнительно улучшена путем замены отрицательно заряженных остатков в поре канала, что сделало обратный потенциал более отрицательным. [59] [60] Анионопроводящие каналородопсины (iChloC, iC++, Gt ACR) ингибируют нейронные спайки в клеточной культуре и у интактных животных при освещении синим светом. Кальций-селективные каналородопсины были разработаны для активации кальций-зависимых ферментов в клетках. [61]
Приложения
Каналерродопсины могут быть легко выражены в возбудимых клетках, таких как нейроны, с использованием различных методов трансфекции (вирусная трансфекция , электропорация , генная пушка ) или трансгенных животных . Светопоглощающий пигмент ретиналь присутствует в большинстве клеток ( позвоночных ) в виде витамина А , что позволяет фотостимулировать нейроны без добавления каких-либо химических соединений. До открытия каналородопсинов нейробиологи ограничивались регистрацией активности нейронов в мозге и соотнесением этой активности с поведением. Этого недостаточно, чтобы доказать, что зарегистрированная нейронная активность действительно вызывала это поведение. Управление сетями генетически модифицированных клеток с помощью света, новая область, известная как оптогенетика , позволяет исследователям теперь исследовать причинно-следственную связь между активностью в определенной группе нейронов и психическими событиями , например, принятием решений . Оптический контроль поведения был продемонстрирован у нематод, плодовых мушек, данио-рерио и мышей. [62] [63] Недавно были созданы хлоридпроводящие канальные родопсины , которые также были обнаружены в природе. [15] [58] Эти инструменты можно использовать для подавления нейронов в клеточной культуре и у живых животных путем шунтирующего ингибирования . [59] [60]
Использование нескольких цветов света расширяет возможности оптогенетических экспериментов. Чувствительный к синему свету ChR2 и активируемый желтым светом хлорный насос галородопсин вместе обеспечивают многоцветную оптическую активацию и подавление нейронной активности. [64] [65] Еще одна интересная пара — чувствительный к синему свету хлорный канал Gt ACR2 [66] и чувствительный к красному свету катионный канал Chrimson [67] , которые были объединены в один белок (BiPOLES) для двунаправленного контроля мембранного потенциала. [68]
Используя флуоресцентно меченый ChR2, можно идентифицировать стимулированные светом аксоны и синапсы . [36] Это полезно для изучения молекулярных событий во время индукции синаптической пластичности . [69] [70] Трансфицированные культивированные нейронные сети можно стимулировать для выполнения некоторых желаемых поведений для приложений в робототехнике и управлении. [71] ChR2 также использовался для картирования дальних связей от одной стороны мозга к другой и для картирования пространственного расположения входов на дендритном дереве отдельных нейронов. [37] [72]
В 2006 году сообщалось, что трансфекция каналородопсином может восстановить зрение у слепых мышей. [73]
Нейроны могут переносить экспрессию ChR в течение длительного времени, и несколько лабораторий тестируют оптогенетическую стимуляцию для решения медицинских задач. У слепых мышей зрительная функция может быть частично восстановлена путем экспрессии ChR2 во внутренних клетках сетчатки. [74] [75] В 2021 году чувствительный к красному свету ChR ChrimsonR был вирусно доставлен в глаза пациента-человека, страдающего дегенерацией сетчатки ( пигментный ретинит ), что привело к частичному восстановлению его зрения. [76] [77] Оптические кохлеарные имплантаты показали свою эффективность в экспериментах на животных и в настоящее время проходят клинические испытания. [78] [79] [80] В будущем ChR могут найти еще больше медицинских применений, например, для глубокой стимуляции мозга у пациентов с болезнью Паркинсона или для контроля определенных форм эпилепсии .
Ссылки
^ аб Нагель Г., Оллиг Д., Фурманн М., Катерия С., Мусти А.М., Бамберг Э. и др. (июнь 2002 г.). «Канал родопсин-1: светозапираемый протонный канал в зеленых водорослях». Наука . 296 (5577): 2395–2398 . Бибкод : 2002Sci...296.2395N. дои : 10.1126/science.1072068. PMID 12089443. S2CID 206506942.
^ abc Синещеков ОА, Юнг КХ, Спудич ДжЛ (июнь 2002 г.). «Два родопсина опосредуют фототаксис к свету низкой и высокой интенсивности у Chlamydomonas reinhardtii». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (13): 8689– 8694. doi : 10.1073/pnas.122243399 . PMC 124360. PMID 12060707 .
^ Foster KW, Smyth RD (декабрь 1980 г.). «Световые антенны в фототактических водорослях». Microbiological Reviews . 44 (4): 572– 630. doi :10.1128/mr.44.4.572-630.1980. PMC 373196 . PMID 7010112.
^ Foster KW, Saranak J, Patel N, Zarilli G, Okabe M, Kline T и др. (октябрь 1984 г.). «Родопсин — функциональный фоторецептор для фототаксиса у одноклеточных эукариот Chlamydomonas». Nature . 311 (5988): 756– 759. Bibcode :1984Natur.311..756F. doi :10.1038/311756a0. PMID 6493336. S2CID 4263301.
^ Kateriya, S. Fuhrmann, M. Hegemann, P.: Прямая подача: ген белка связывания сетчатки Chlamydomonas reinhardtii (cop4); номер доступа GenBank AF461397
^ Suzuki T, Yamasaki K, Fujita S, Oda K, Iseki M, Yoshida K и др. (февраль 2003 г.). «Архейные родопсины в Chlamydomonas: модельная структура и внутриклеточная локализация». Biochemical and Biophysical Research Communications . 301 (3): 711– 717. doi :10.1016/S0006-291X(02)03079-6. PMID 12565839.
^ abc Nagel G, Szellas T, Huhn W, Kateriya S, Adeishvili N, Berthold P, et al. (Ноябрь 2003 г.). "Channelrhodopsin-2, a direct light-gated cation-selective membrane channel". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (24): 13940– 13945. Bibcode : 2003PNAS..10013940N . doi : 10.1073/pnas.1936192100 . PMC 283525. PMID 14615590.
^ Berthold P, Tsunoda SP, Ernst OP, Mages W, Gradmann D, Hegemann P (июнь 2008 г.). «Channelrhodopsin-1 инициирует фототаксис и фотофобные реакции у хламидомонады путем немедленной деполяризации, вызванной светом». The Plant Cell . 20 (6): 1665– 1677. doi :10.1105/tpc.108.057919. PMC 2483371 . PMID 18552201.
^ Като ХЕ, Чжан Ф, Ижар О, Рамакришнан К, Нишизава Т, Хирата К и др. (январь 2012 г.). «Кристаллическая структура канального катионного канала родопсина с управлением светом». Nature . 482 (7385): 369– 374. Bibcode :2012Natur.482..369K. doi :10.1038/nature10870. PMC 4160518 . PMID 22266941.
^ Bamann C, Kirsch T, Nagel G, Bamberg E (январь 2008 г.). «Спектральные характеристики фотоцикла каналродопсина-2 и его влияние на функцию канала». Журнал молекулярной биологии . 375 (3): 686– 694. doi :10.1016/j.jmb.2007.10.072. PMID 18037436.
^ ab Говорунова EG, Синещеков OA, Янц R, Лю X, Спудич JL (август 2015 г.). "НЕЙРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ИОННЫЕ КАНАЛЫ. Природные светочувствительные анионные каналы: семейство микробных родопсинов для продвинутой оптогенетики". Science . 349 (6248): 647– 650. Bibcode :2015Sci...349..647G. doi :10.1126/science.aaa7484. PMC 4764398 . PMID 26113638.
^ Говорунова EG, Гоу Y, Синещеков OA, Ли H, Лу X, Ван Y и др. (Июль 2022 г.). «Каналородопсины калия — это естественные светозависимые калиевые каналы, которые опосредуют оптогенетическое ингибирование». Nature Neuroscience . 25 (7): 967– 974. doi :10.1038/s41593-022-01094-6. PMC 9854242 . PMID 35726059. S2CID 249886382.
^ Kim YS, Kato HE, Yamashita K, Ito S, Inoue K, Ramakrishnan C, et al. (сентябрь 2018 г.). «Кристаллическая структура природного анионопроводящего канального родопсина GtACR1». Nature . 561 (7723): 343– 348. Bibcode :2018Natur.561..343K. doi :10.1038/s41586-018-0511-6. PMC 6340299 . PMID 30158696.
^ Tajima S, Kim YS, Fukuda M, Byrne EF, Wang PY, Paggi JM и др. (2022-10-31). "Структурная основа ионной селективности в калий-селективных каналородопсинах" (PDF) . bioRxiv . doi :10.1101/2022.10.30.514430. S2CID 253259023.
^ Eria-Oliveira AS, Folacci M, Chassot AA, Fedou S, Thézé N, Zabelskii D и др. (2024-01-02). «Захват внутренней динамики кальция внутриклеточно проживающими вирусными родопсинами». Nature Communications . 15 (1): 65. Bibcode :2024NatCo..15...65E. doi :10.1038/s41467-023-44548-6. ISSN 2041-1723. PMC 10761956 . PMID 38167346.
^ ab Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K (сентябрь 2005 г.). «Миллисекундный временной масштаб, генетически направленный оптический контроль нейронной активности». Nature Neuroscience . 8 (9): 1263– 1268. doi :10.1038/nn1525. PMID 16116447. S2CID 6809511.
^ Li X, Gutierrez DV, Hanson MG, Han J, Mark MD, Chiel H и др. (декабрь 2005 г.). «Быстрая неинвазивная активация и ингибирование нейронной и сетевой активности родопсином позвоночных и каналопсином зеленых водорослей». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (49): 17816– 17821. Bibcode : 2005PNAS..10217816L. doi : 10.1073/pnas.0509030102 . PMC 1292990. PMID 16306259 .
^ ab Nagel G, Brauner M, Liewald JF, Adeishvili N, Bamberg E, Gottschalk A (декабрь 2005 г.). «Световая активация канального родопсина-2 в возбудимых клетках Caenorhabditis elegans запускает быстрые поведенческие реакции». Current Biology . 15 (24): 2279– 2284. Bibcode :2005CBio...15.2279N. doi : 10.1016/j.cub.2005.11.032 . PMID 16360690.
^ Lima SQ, Miesenböck G (апрель 2005 г.). «Дистанционное управление поведением посредством генетически направленной фотостимуляции нейронов». Cell . 121 (1): 141– 152. doi : 10.1016/j.cell.2005.02.004 . PMID 15820685.
^ Zhang F, Wang LP, Boyden ES, Deisseroth K (октябрь 2006 г.). «Каналродопсин-2 и оптический контроль возбудимых клеток». Nature Methods . 3 (10): 785– 792. doi :10.1038/nmeth936. PMID 16990810. S2CID 15096826.
^ abc Lin JY (январь 2011 г.). «Руководство пользователя по вариантам канального родопсина: особенности, ограничения и будущие разработки». Experimental Physiology . 96 (1): 19– 25. doi :10.1113/expphysiol.2009.051961. PMC 2995811 . PMID 20621963.
^ Lin JY, Lin MZ, Steinbach P, Tsien RY (март 2009). «Характеристика вариантов сконструированного канального родопсина с улучшенными свойствами и кинетикой». Biophysical Journal . 96 (5): 1803– 1814. Bibcode :2009BpJ....96.1803L. doi :10.1016/j.bpj.2008.11.034. PMC 2717302 . PMID 19254539.
^ ab Gunaydin LA, Yizhar O, Berndt A, Sohal VS, Deisseroth K, Hegemann P (март 2010 г.). "Сверхбыстрый оптогенетический контроль". Nature Neuroscience . 13 (3): 387– 392. doi :10.1038/nn.2495. PMID 20081849. S2CID 7457755.
^ ab Berndt A, Yizhar O, Gunaydin LA, Hegemann P, Deisseroth K (февраль 2009 г.). "Бистабильные переключатели нейронного состояния". Nature Neuroscience . 12 (2): 229– 234. doi :10.1038/nn.2247. PMID 19079251. S2CID 15125498.
^ Zhang F, Prigge M, Beyrière F, Tsunoda SP, Mattis J, Yizhar O и др. (июнь 2008 г.). «Оптогенетическое возбуждение с красным смещением: инструмент для быстрого нейронного контроля, полученный из Volvox carteri». Nature Neuroscience . 11 (6): 631– 633. doi :10.1038/nn.2120. PMC 2692303 . PMID 18432196.
^ abc Yizhar O, Fenno LE, Prigge M, Schneider F, Davidson TJ, O'Shea DJ и др. (июль 2011 г.). «Баланс неокортикального возбуждения/торможения при обработке информации и социальной дисфункции». Nature . 477 (7363): 171– 178. Bibcode :2011Natur.477..171Y. doi :10.1038/nature10360. PMC 4155501 . PMID 21796121.
^ Адамантидис AR, Чжан F, Араванис AM, Дейссерот K, де Лесеа L (ноябрь 2007 г.). «Нейронные субстраты пробуждения, исследованные с помощью оптогенетических методов контроля гипокретиновых нейронов». Nature . 450 (7168): 420– 424. Bibcode :2007Natur.450..420A. doi :10.1038/nature06310. PMC 6744371 . PMID 17943086.
^ Tsai HC, Zhang F, Adamantidis A, Stuber GD, Bonci A, de Lecea L, et al. (Май 2009). «Фазовая активация дофаминергических нейронов достаточна для поведенческого обусловливания». Science . 324 (5930): 1080– 1084. Bibcode :2009Sci...324.1080T. doi :10.1126/science.1168878. PMC 5262197 . PMID 19389999.
^ Gradinaru V, Mogri M, Thompson KR, Henderson JM, Deisseroth K (апрель 2009 г.). «Оптическая деконструкция нейронных цепей паркинсонизма». Science . 324 (5925): 354– 359. Bibcode :2009Sci...324..354G. CiteSeerX 10.1.1.368.668 . doi :10.1126/science.1167093. PMC 6744370 . PMID 19299587.
^ Kravitz AV, Freeze BS, Parker PR, Kay K, Thwin MT, Deisseroth K, et al. (Июль 2010). «Регуляция паркинсонического двигательного поведения с помощью оптогенетического контроля базальных ганглиев». Nature . 466 (7306): 622– 626. Bibcode :2010Natur.466..622K. doi :10.1038/nature09159. PMC 3552484 . PMID 20613723.
^ Lee JH, Durand R, Gradinaru V, Zhang F, Goshen I, Kim DS и др. (июнь 2010 г.). «Глобальные и локальные сигналы фМРТ, управляемые нейронами, определяемыми оптогенетически по типу и проводке». Nature . 465 (7299): 788– 792. Bibcode :2010Natur.465..788L. doi :10.1038/nature09108. PMC 3177305 . PMID 20473285.
^ abc Zhang YP, Oertner TG (февраль 2007). «Оптическая индукция синаптической пластичности с использованием светочувствительного канала». Nature Methods . 4 (2): 139– 141. doi :10.1038/nmeth988. PMID 17195846. S2CID 17721823.
^ ab Petreanu L, Huber D, Sobczyk A, Svoboda K (май 2007 г.). «Картирование цепей дальних проекций мозолистого тела с помощью каналородопсин-2». Nature Neuroscience . 10 (5): 663– 668. doi :10.1038/nn1891. PMID 17435752. S2CID 14275254.
^ ab Kätzel D, Zemelman BV, Buetfering C, Wölfel M, Miesenböck G (январь 2011 г.). «Колончатая и пластинчатая организация ингибирующих связей с возбуждающими клетками неокортекса». Nature Neuroscience . 14 (1): 100– 107. doi :10.1038/nn.2687. PMC 3011044 . PMID 21076426.
^ Wang H, Peca J, Matsuzaki M, Matsuzaki K, Noguchi J, Qiu L и др. (май 2007 г.). «Высокоскоростное картирование синаптических связей с использованием фотостимуляции у трансгенных мышей Channelrhodopsin-2». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (19): 8143– 8148. Bibcode : 2007PNAS..104.8143W . doi : 10.1073/pnas.0700384104 . PMC 1876585. PMID 17483470.
^ Mohanty SK, Reinscheid RK, Liu X, Okamura N, Krasieva TB, Berns MW (октябрь 2008 г.). «Глубокая активация сенсибилизированных канальным родопсином 2 возбудимых клеток с высоким пространственным разрешением с использованием двухфотонного возбуждения с помощью микролуча лазера ближнего инфракрасного диапазона». Biophysical Journal . 95 (8): 3916– 3926. Bibcode :2008BpJ....95.3916M. doi :10.1529/biophysj.108.130187. PMC 2553121 . PMID 18621808.
^ Rickgauer JP, Tank DW (сентябрь 2009 г.). «Двухфотонное возбуждение каналородопсина-2 при насыщении». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (35): 15025– 15030. Bibcode : 2009PNAS..10615025R. doi : 10.1073/pnas.0907084106 . PMC 2736443. PMID 19706471 .
^ Andrasfalvy BK, Zemelman BV, Tang J, Vaziri A (июнь 2010 г.). «Двухфотонный одноклеточный оптогенетический контроль нейронной активности с помощью скульптурного света». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (26): 11981– 11986. Bibcode : 2010PNAS..10711981A. doi : 10.1073/pnas.1006620107 . PMC 2900666. PMID 20543137 .
^ Reiner A, Isacoff EY (октябрь 2013 г.). «Премия за развитие мозга 2013 г.: революция в оптогенетике». Trends in Neurosciences . 36 (10): 557– 560. doi :10.1016/j.tins.2013.08.005. PMID 24054067. S2CID 205404606.
^ Schoenenberger P, Gerosa D, Oertner TG (декабрь 2009 г.). "Временной контроль немедленной ранней индукции генов светом". PLOS ONE . 4 (12): e8185. Bibcode :2009PLoSO...4.8185S. doi : 10.1371/journal.pone.0008185 . PMC 2780714 . PMID 19997631.
^ Berndt A, Schoenenberger P, Mattis J, Tye KM, Deisseroth K, Hegemann P и др. (май 2011 г.). «Высокоэффективные канальные родопсины для быстрой нейронной стимуляции при низких уровнях освещенности». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (18): 7595– 7600. Bibcode : 2011PNAS..108.7595B. doi : 10.1073/pnas.1017210108 . PMC 3088623. PMID 21504945 .
^ Dawydow A, Gueta R, Ljaschenko D, Ullrich S, Hermann M, Ehmann N и др. (сентябрь 2014 г.). «Channelrhodopsin-2-XXL, мощный оптогенетический инструмент для приложений с низким освещением». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (38): 13972– 13977. Bibcode : 2014PNAS..11113972D. doi : 10.1073/pnas.1408269111 . PMC 4183338. PMID 25201989 .
^ Lin JY, Knutsen PM, Muller A, Kleinfeld D, Tsien RY (октябрь 2013 г.). «ReaChR: смещенный в красную область вариант канального родопсина обеспечивает глубокое транскраниальное оптогенетическое возбуждение». Nature Neuroscience . 16 (10): 1499– 1508. doi :10.1038/nn.3502. PMC 3793847 . PMID 23995068.
^ Klapoetke NC, Murata Y, Kim SS, Pulver SR, Birdsey-Benson A, Cho YK и др. (март 2014 г.). «Независимое оптическое возбуждение отдельных нейронных популяций». Nature Methods . 11 (3): 338– 346. doi :10.1038/nmeth.2836. PMC 3943671 . PMID 24509633.
^ Хукс Б. М., Линь Дж. Й., Го С., Свобода К. (март 2015 г.). «Двухканальное картирование цепей выявляет сенсомоторную конвергенцию в первичной моторной коре». Журнал нейронауки . 35 (10): 4418– 4426. doi :10.1523/JNEUROSCI.3741-14.2015. PMC 4355205. PMID 25762684 .
^ Анисимова М., ван Боммель Б., Ван Р., Михайлова М., Вигерт Дж. С., Эртнер Т. Г. и др. (декабрь 2022 г.). «Пластичность, зависящая от времени спайков, вознаграждает синхронность, а не причинность». Кора головного мозга . 33 (1): 23–34 . doi :10.1093/cercor/bhac050. PMC 9758582. PMID 35203089 .
^ Hochbaum DR, Zhao Y, Farhi SL, Klapoetke N, Werley CA, Kapoor V и др. (август 2014 г.). «Полностью оптическая электрофизиология нейронов млекопитающих с использованием сконструированных микробных родопсинов». Nature Methods . 11 (8): 825– 833. doi :10.1038/nmeth.3000. PMC 4117813 . PMID 24952910.
^ Dana H, Mohar B, Sun Y, Narayan S, Gordus A, Hasseman JP и др. (март 2016 г.). «Чувствительные красные белковые кальциевые индикаторы для визуализации нейронной активности». eLife . 5 . doi : 10.7554/eLife.12727 . PMC 4846379 . PMID 27011354.
^ Afshar Saber W, Gasparoli FM, Dirks MG, Gunn-Moore FJ, Antkowiak M (2018). «Полностью оптический анализ для изучения биологических нейронных сетей». Frontiers in Neuroscience . 12 : 451. doi : 10.3389/fnins.2018.00451 . PMC 6041400. PMID 30026684 .
^ Kleinlogel S, Feldbauer K, Dempski RE, Fotis H, Wood PG, Bamann C и др. (апрель 2011 г.). «Сверхчувствительная к свету и быстрая нейрональная активация с помощью проницаемого для Ca²+ канала родопсина CatCh». Nature Neuroscience . 14 (4): 513– 518. doi :10.1038/nn.2776. PMID 21399632. S2CID 5907240.
^ Fernandez Lahore RG, Pampaloni NP, Peter E, Heim MM, Tillert L, Vierock J, et al. (Декабрь 2022 г.). «Кальциепроницаемые каналородопсины для фотоконтроля кальциевой сигнализации». Nature Communications . 13 (1): 7844. Bibcode :2022NatCo..13.7844F. doi :10.1038/s41467-022-35373-4. PMC 9772239 . PMID 36543773.
^ Говорунова Е.Г., Гоу Ю., Синещеков О.А., Ли Х., Ван Ю., Браун Л.С. и др. (17 сентября 2021 г.). «Калиевые родопсины: естественные светозапираемые калиевые каналы». bioRxiv : 2021.09.17.460684. дои : 10.1101/2021.09.17.460684. S2CID 237576843.
^ Vierock J, Peter E, Grimm C, Rozenberg A, Chen IW, Tillert L и др. (декабрь 2022 г.). «WiChR, высокоселективный по отношению к калию каналородопсин для одно- и двухфотонного ингибирования возбудимых клеток при слабом освещении». Science Advances . 8 (49): eadd7729. Bibcode :2022SciA....8D7729V. doi :10.1126/sciadv.add7729. PMC 9733931 . PMID 36383037.
^ ab Витек Дж., Вигерт Дж.С., Адеишвили Н., Шнайдер Ф., Ватанабэ Х., Цунода С.П. и др. (апрель 2014 г.). «Превращение канального родопсина в светозатворный хлоридный канал». Наука . 344 (6182): 409–412 . Бибкод : 2014Sci...344..409W. дои : 10.1126/science.1249375 . PMID 24674867. S2CID 206554245.
^ ab Wietek J, Beltramo R, Scanziani M, Hegemann P, Oertner TG, Wiegert JS (октябрь 2015 г.). "Улучшенный хлоридпроводящий каналородопсин для индуцированного светом ингибирования нейрональной активности in vivo". Scientific Reports . 5 : 14807. Bibcode :2015NatSR...514807W. doi :10.1038/srep14807. PMC 4595828 . PMID 26443033.
^ ab Berndt A, Lee SY, Wietek J, Ramakrishnan C, Steinberg EE, Rashid AJ и др. (январь 2016 г.). «Структурные основы оптогенетики: детерминанты селективности ионов канального родопсина». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (4): 822– 829. Bibcode : 2016PNAS..113..822B. doi : 10.1073/pnas.1523341113 . PMC 4743797. PMID 26699459 .
^ Fernandez Lahore RG, Pampaloni NP, Schiewer E, Heim MM, Tillert L, Vierock J, et al. (2022-12-21). "Кальциево-проницаемые каналородопсины для фотоконтроля кальциевой сигнализации". Nature Communications . 13 (1): 7844. Bibcode :2022NatCo..13.7844F. doi :10.1038/s41467-022-35373-4. ISSN 2041-1723. PMC 9772239 . PMID 36543773.
^ Douglass AD, Kraves S, Deisseroth K, Schier AF, Engert F (август 2008 г.). «Поведение побега, вызванное одиночными спайками, вызванными канальным родопсином-2, в соматосенсорных нейронах данио-рерио». Current Biology . 18 (15): 1133– 1137. Bibcode :2008CBio...18.1133D. doi :10.1016/j.cub.2008.06.077. PMC 2891506 . PMID 18682213.
^ Huber D, Petreanu L, Ghitani N, Ranade S, Hromádka T, Mainen Z и др. (январь 2008 г.). «Разреженная оптическая микростимуляция в бочкообразной коре головного мозга управляет выученным поведением у свободно движущихся мышей». Nature . 451 (7174): 61– 64. Bibcode :2008Natur.451...61H. doi :10.1038/nature06445. PMC 3425380 . PMID 18094685.
^ Han X, Boyden ES (март 2007 г.). «Многоцветная оптическая активация, подавление и десинхронизация нейронной активности с временным разрешением в один спайк». PLOS ONE . 2 (3): e299. Bibcode :2007PLoSO...2..299H. doi : 10.1371/journal.pone.0000299 . PMC 1808431 . PMID 17375185.
^ Zhang F, Wang LP, Brauner M, Liewald JF, Kay K, Watzke N, et al. (апрель 2007 г.). «Мультимодальный быстрый оптический опрос нейронных цепей». Nature . 446 (7136): 633– 639. Bibcode :2007Natur.446..633Z. doi :10.1038/nature05744. PMID 17410168. S2CID 4415339.
^ Klapoetke NC, Murata Y, Kim SS, Pulver SR, Birdsey-Benson A, Cho YK и др. (март 2014 г.). «Независимое оптическое возбуждение отдельных нейронных популяций». Nature Methods . 11 (3): 338– 346. doi :10.1038/nmeth.2836. PMC 3943671 . PMID 24509633.
^ Vierock J, Rodriguez-Rozada S, Dieter A, Pieper F, Sims R, Tenedini F и др. (Июль 2021 г.). «BiPOLES — это оптогенетический инструмент, разработанный для двунаправленного двухцветного управления нейронами». Nature Communications . 12 (1): 4527. Bibcode :2021NatCo..12.4527V. doi :10.1038/s41467-021-24759-5. PMC 8313717 . PMID 34312384.
^ Zhang YP, Holbro N, Oertner TG (август 2008 г.). «Оптическая индукция пластичности в одиночных синапсах выявляет специфическое для входа накопление alphaCaMKII». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (33): 12039– 12044. Bibcode : 2008PNAS..10512039Z. doi : 10.1073/pnas.0802940105 . PMC 2575337. PMID 18697934 .
^ Анисимова М., ван Боммель Б., Ванг Р., Михайлова М., Саймон Вигерт Дж., Эртнер Т.Г. и др. (февраль 2022 г.). «Пластичность, зависящая от времени спайков, вознаграждает синхронность, а не причинность». Cerebral Cortex . 33 (1): 23– 34. doi :10.1093/cercor/bhac050. PMC 9758582 . PMID 35203089.
^ Xu Z, Ziye X, Craig H, Silvia F (декабрь 2013 г.). «Косвенное обучение виртуального насекомого, управляемого нейронной сетью с помощью спайков». 52-я конференция IEEE по принятию решений и управлению . Решение и управление IEEE. стр. 6798–6805 . CiteSeerX 10.1.1.671.6351 . doi :10.1109/CDC.2013.6760966. ISBN978-1-4673-5717-3. S2CID 13992150.
^ Petreanu L, Mao T, Sternson SM, Svoboda K (февраль 2009). «Субклеточная организация возбуждающих связей неокортекса». Nature . 457 (7233): 1142– 1145. Bibcode :2009Natur.457.1142P. doi :10.1038/nature07709. PMC 2745650 . PMID 19151697.
^ Bi A, Cui J, Ma YP, Olshevskaya E, Pu M, Dizhoor AM и др. (апрель 2006 г.). «Эктопическая экспрессия родопсина микробного типа восстанавливает зрительные реакции у мышей с дегенерацией фоторецепторов». Neuron . 50 (1): 23– 33. doi :10.1016/j.neuron.2006.02.026. PMC 1459045 . PMID 16600853.
^ Bi A, Cui J, Ma YP, Olshevskaya E, Pu M, Dizhoor AM и др. (апрель 2006 г.). «Эктопическая экспрессия родопсина микробного типа восстанавливает зрительные реакции у мышей с дегенерацией фоторецепторов». Neuron . 50 (1): 23– 33. doi :10.1016/j.neuron.2006.02.026. PMC 1459045 . PMID 16600853.
^ Lagali PS, Balya D, Awatramani GB, Münch TA, Kim DS, Busskamp V и др. (июнь 2008 г.). «Светоактивируемые каналы, нацеленные на ON-биполярные клетки, восстанавливают зрительную функцию при дегенерации сетчатки». Nature Neuroscience . 11 (6): 667– 675. doi :10.1038/nn.2117. PMID 18432197. S2CID 6798764.
^ Sahel JA, Boulanger-Scemama E, Pagot C, Arleo A, Galluppi F, Martel JN и др. (Июль 2021 г.). «Частичное восстановление зрительной функции у слепого пациента после оптогенетической терапии». Nature Medicine . 27 (7): 1223– 1229. doi : 10.1038/s41591-021-01351-4 . PMID 34031601.
^ Галлахер Дж. (24 мая 2021 г.). «Протеины водорослей частично восстанавливают зрение человека». BBC News .
^ Hernandez VH, Gehrt A, Reuter K, Jing Z, Jeschke M, Mendoza Schulz A и др. (март 2014 г.). «Оптогенетическая стимуляция слухового пути». The Journal of Clinical Investigation . 124 (3): 1114– 1129. doi :10.1172/JCI69050. PMC 3934189. PMID 24509078 .
^ Mager T, Lopez de la Morena D, Senn V, Schlotte J, D Errico A, Feldbauer K и др. (май 2018 г.). «Высокочастотная нейронная импульсация и слуховая сигнализация с помощью сверхбыстрой оптогенетики со смещением в красную область». Nature Communications . 9 (1): 1750. Bibcode :2018NatCo...9.1750M. doi :10.1038/s41467-018-04146-3. PMC 5931537 . PMID 29717130.
^ Keppeler D, Merino RM, Lopez de la Morena D, Bali B, Huet AT, Gehrt A и др. (декабрь 2018 г.). «Сверхбыстрая оптогенетическая стимуляция слухового пути с помощью оптимизированного для нацеливания Chronos». The EMBO Journal . 37 (24): e99649. doi :10.15252/embj.201899649. PMC 6293277. PMID 30396994 .
Дальнейшее чтение
Хегеманн П. (2008). «Сенсорные фоторецепторы водорослей». Annual Review of Plant Biology . 59 : 167–189 . doi :10.1146/annurev.arplant.59.032607.092847. PMID 18444900.(Естественная функция каналородопсинов и других фоторецепторов зеленого цвета)
Arenkiel BR, Peca J, Davison IG, Feliciano C, Deisseroth K, Augustine GJ и др. (апрель 2007 г.). "In vivo светоиндуцированная активация нейронных цепей у трансгенных мышей, экспрессирующих каналородопсин-2". Neuron . 54 (2): 205– 218. doi :10.1016/j.neuron.2007.03.005. PMC 3634585 . PMID 17442243.(Использование каналородопсина у трансгенных мышей для изучения мозговых цепей)
Bi A, Cui J, Ma YP, Olshevskaya E, Pu M, Dizhoor AM и др. (апрель 2006 г.). «Эктопическая экспрессия родопсина микробного типа восстанавливает зрительные реакции у мышей с дегенерацией фоторецепторов». Neuron . 50 (1): 23– 33. doi :10.1016/j.neuron.2006.02.026. PMC 1459045 . PMID 16600853.(Использование каналородопсина потенциально для лечения слепоты)
Внешние ссылки
Центр ресурсов оптогенетики / Лаборатория Дейссерота