化學(xué)遺傳操控技術(shù)的原理、技術(shù)特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用的介紹

在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，化學(xué)遺傳操控技術(shù)正逐漸成為研究小鼠大腦功能的利器。其中，DREADDs（Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs）系統(tǒng)憑借其精準(zhǔn)、可逆的調(diào)控特性，成為科學(xué)家手中的“分子開關(guān)”，而CNO（氯氮平-N-氧化物）則是驅(qū)動這一系統(tǒng)的核心“鑰匙”。以下將從原理、技術(shù)特點(diǎn)到實(shí)際應(yīng)用，全面解析這一技術(shù)的魅力。

圖1. 化學(xué)遺傳學(xué)改造天然受體得到的人工受體^[1]

化學(xué)遺傳操控：精準(zhǔn)調(diào)控神經(jīng)元的“遙控技術(shù)”
傳統(tǒng)基因操作難以實(shí)現(xiàn)對特定神經(jīng)元活動的實(shí)時(shí)調(diào)控，而化學(xué)遺傳技術(shù)通過“人工受體+小分子配體”的組合，解決了這一難題。

其核心理念是：向目標(biāo)細(xì)胞植入改造后的受體蛋白（如DREADDs），這些受體僅能被特定的小分子藥物（如CNO）激活，從而精確控制神經(jīng)元的興奮或抑制狀態(tài)。相較于光遺傳學(xué)，化學(xué)遺傳無需光纖植入或外部設(shè)備，僅需注射或喂食藥物即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，且適合長時(shí)間實(shí)驗(yàn)（如慢性研究）。

DREADDs系統(tǒng)：人工受體的“智能設(shè)計(jì)”
DREADDs是通過基因工程改造的G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR），其最大特點(diǎn)是僅對特定藥物產(chǎn)生響應(yīng)，避免了天然配體的干擾。目前最常用的兩類受體是：

hM3Dq：激活型受體，結(jié)合CNO后通過Gq蛋白通路促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)鈣離子釋放，導(dǎo)致神經(jīng)元去極化（興奮）；

hM4Di：抑制型受體，結(jié)合CNO后通過Gi蛋白通路激活鉀離子通道，引發(fā)神經(jīng)元超極化（抑制）。

這些受體可通過病毒載體（如AAV）或轉(zhuǎn)基因技術(shù)靶向特定腦區(qū)或細(xì)胞類型表達(dá)，例如用CaMKII啟動子限制在興奮性神經(jīng)元中表達(dá)。一旦受體表達(dá)成功，只需給予CNO即可快速（通常幾分鐘內(nèi)）調(diào)控目標(biāo)神經(jīng)元的活動。
 

圖2. DREADDs 作為調(diào)節(jié)體內(nèi) GPCR 信號的化學(xué)遺傳工具^[2]

該技術(shù)的核心優(yōu)勢

CNO：穿透血腦屏障的“隱形操縱者”
CNO是一種小分子藥物，具備以下獨(dú)特優(yōu)勢：
高選擇性：僅激活改造后的DREADDs受體，對天然受體無作用；
血腦屏障穿透力：可通過口服、腹腔注射等方式進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)；
可逆性：停藥后效應(yīng)逐漸消失（CNO通常2小時(shí)內(nèi)從膜上清除）。

其作用機(jī)制因受體亞型而異：
hM3Dq激活：CNO結(jié)合后激活Gq信號通路，促進(jìn)PLCβ降解PIP2，開放KCNQ鉀離子通道，引發(fā)去極化電位；

hM4Di抑制：CNO結(jié)合后激活Gi蛋白，開放GIRK鉀離子通道，導(dǎo)致超極化抑制動作電位。
 

CNO的給藥方法

CNO的技術(shù)局限性

CNO作用時(shí)間較長（一般2小時(shí)清除期），藥物代謝可能影響非目標(biāo)組織（需優(yōu)化給藥劑量），且無法像光遺傳學(xué)那樣實(shí)現(xiàn)毫秒級精準(zhǔn)控制，但仍適用于秒至分鐘級的時(shí)間尺度研究。

實(shí)際應(yīng)用案例：從神經(jīng)環(huán)路到行為調(diào)控

案例1：氯胺酮激活新生神經(jīng)元，快速逆轉(zhuǎn)小鼠抑郁行為

基于DREADDs的小鼠模型（Ascl1-Cre; R26-LSL-hM4Di和Ascl1-Cre; R26-LSL-hM3Dq），精確地操控了成年海馬齒狀回（Dentate Gyrus, DG）中新生未成熟顆粒神經(jīng)元（Adult-born immature granule neurons, ABINs）的活動，從而闡明了它們在氯胺酮（Ketamine）快速抗抑郁作用中的關(guān)鍵性和充分性作用。

圖3. 選擇性地抑制ABINs會阻止氯胺酮恢復(fù)應(yīng)激誘導(dǎo)的行為表型的能力^[3]
 

圖4.激活A(yù)BINs足以誘導(dǎo)氯胺酮樣行為效應(yīng)^[3]

案例2：前額葉皮層調(diào)控焦慮
利用設(shè)計(jì)藥物（DREADD）特異性激活的興奮性和抑制性受體，研究了急性化學(xué)遺傳學(xué)操作對成年（Rbp4-Cre）小鼠大腦中第5層皮質(zhì)投射神經(jīng)元和齒狀回神經(jīng)元亞群的影響。研究人員通過在小鼠的初級運(yùn)動皮層層5（L5）中表達(dá)hM3Dq（Rbp4-Cre; R26-LSL-hM3Dq）和hM4Di（Rbp4-Cre; R26-LSL-hM4Di）受體，并通過CNO激活這些受體，發(fā)現(xiàn)hM3Dq激活顯著增加了神經(jīng)元的放電頻率，而hM4Di激活則顯著降低了神經(jīng)元的放電頻率。
 

圖5.Rbp4Cre-hM3Dq和Rbp4Cre-hM4DiDREAD在皮質(zhì)層5錐體神經(jīng)元中的電生理驗(yàn)證^[4]

案例3：hM3Dq和hM4Di在神經(jīng)發(fā)育和再生中的作用
hM3Dq和hM4Di在神經(jīng)發(fā)育和再生中的作用也得到了研究。例如，在一項(xiàng)關(guān)于海馬神經(jīng)再生的研究中，研究人員通過使用Ascl1-CreER; R26-LSL−hM4Di和Ascl1-CreER; R26-LSL−hM3Dq，并注射CNO，發(fā)現(xiàn)抑制新生神經(jīng)元的興奮性而不影響神經(jīng)發(fā)生，可以消除氟西汀的抗抑郁效果。激活這些神經(jīng)元足以緩解抑郁樣行為，并逆轉(zhuǎn)不可預(yù)測的慢性輕度壓力帶來的不良影響。

圖6.抑制新生齒狀回神經(jīng)元可防止氟西汀的作用，并改變基線情感行為^[5]

DREADDs技術(shù)正在突破傳統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)研究的邊界：DREADDs與CNO的組合已在神經(jīng)環(huán)路功能解析、精神疾病建模（如精神分裂癥）及藥物篩選中展現(xiàn)巨大潛力。隨著新型配體的開發(fā)（如更高效或可逆性更強(qiáng)的藥物），這一技術(shù)有望進(jìn)一步推動神經(jīng)科學(xué)從“觀察到操控”的跨越。對于研究者而言，DREADDs不僅是工具，更是打開大腦神秘之門的“化學(xué)密碼”。

南模生物相關(guān)品系
南模生物開發(fā)了相關(guān)工具鼠模型，可配合各Cre鼠及病毒使用。部分模型見下表：

表1.  化學(xué)遺傳操控工具鼠

同時(shí)，南模生物可提供超過600多種自主產(chǎn)權(quán)Cre/Dre工具鼠，覆蓋全身各類型的細(xì)胞組織，滿足科研人員多樣化的需求。部分神經(jīng)系統(tǒng)Cre工具鼠見下表：

表2.  部分神經(jīng)系統(tǒng)Cre工具鼠

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Reference：
[1]  Anderson AC, Joller N, Kuchroo VK. Lag-3, Tim-3, and TIGIT: Co-inhibitory RecSternson SM, Roth BL. Chemogenetic tools to interrogate brain functions. Annu Rev Neurosci. 2014;37:387-407. 

[2] Zhu H, Roth BL. DREADD: a chemogenetic GPCR signaling platform. Int J Neuropsychopharmacol. 2014 Oct 31;18(1):pyu007. doi: 10.1093/ijnp/pyu007. Erratum in: Int J Neuropsychopharmacol. 2016 Apr 27;19(10):pyw031. doi: 10.1093/ijnp/pyw031. PMID: 25522378; PMCID: PMC4368861.

[3] Rawat R, Tunc-Ozcan E, McGuire TL, et al. Ketamine activates adult-born immature granule neurons to rapidly alleviate depression-like behaviors in mice. Nat Commun. 2022 May 12;13(1):2650. doi: 10.1038/s41467-022-30386-5. PMID: 35551462; PMCID: PMC9098911.

[4] Vadisiute A, Meijer E, Therpurakal RN, et al. Glial cells undergo rapid changes following acute chemogenetic manipulation of cortical layer 5 projection neurons. Commun Biol. 2024 Oct 9;7(1):1286. doi: 10.1038/s42003-024-06994-w.

[5] Tunc-Ozcan E, Peng CY, Zhu Y, et al. Activating newborn neurons suppresses depression and anxiety-like behaviors. Nat Commun. 2019 Aug 21;10(1):3768. doi: 10.1038/s41467-019-11641-8. 

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