Anjonledande kanalrodopsin

Figur 1: Det krävdes 5-punktsmutationer för att skapa iChloC från katjonledande Channelrhodopsin-2 .

Anjonledande kanalrodopsiner är ljusstyrda jonkanaler som öppnas som svar på ljus och låter negativt laddade joner (som klorid) komma in i en cell. Alla kanalrodopsiner använder retinal som ljuskänsligt pigment, men de skiljer sig i sin jonselektivitet. Anjonledande kanalrodopsiner används som verktyg för att manipulera hjärnaktivitet hos möss, fruktflugor och andra modellorganismer ( Optogenetics ). Neuroner som uttrycker anjonledande kanalrodopsiner tystas när de belyses med ljus, en effekt som har använts för att undersöka informationsbehandling i hjärnan. Till exempel minskade undertryckandet av dendritiska kalciumspikar i specifika neuroner med ljus möss förmåga att uppfatta en lätt beröring av en morrhår. Att studera hur beteendet hos ett djur förändras när specifika nervceller tystas gör det möjligt för forskare att avgöra vilken roll dessa neuroner spelar i de komplexa kretsar som styr beteendet.

De första anjonledande kanalrodopsinerna konstruerades från den katjonledande ljusstyrda kanalen Channelrhodopsin-2 genom att avlägsna negativt laddade aminosyror från kanalporen (Fig. 1). Eftersom den huvudsakliga anjonen i extracellulär vätska är klorid (Cl ⁻ ), är anjonledande kanalrodopsiner också kända som "kloridledande kanalrodopsiner" (CloCs). Naturligt förekommande anjonledande kanalrodopsiner (ACR) identifierades därefter i kryptofytalger . Kristallstrukturen för den naturliga GtACR1 har nyligen lösts, vilket banar väg för ytterligare proteinteknik.

Varianter

namn	ursprungsart	absorption	referens	egenskaper, applikationer
långsamCloC	Chlamydomonas reinhardtii	blå	Wietek et al. 2014	första generationen, blandad konduktans
iC1C2	Chlamydomonas reinhardtii	blå	Berndt et al. 2014	första generationen, blandad konduktans
iChloC	Chlamydomonas reinhardtii	blå	Wietek et al. 2015	hämning av perception hos möss
iC++	Chlamydomonas reinhardtii	blå	Berndt et al. 2016	hämning av sömn hos möss
Gt ACR1	Guillardia theta	grön	Govorunova et al. 2015	hämning av beteende i Drosophila hämning av hjärtmuskelceller från råtta holografisk spiksuppression i musbark
Gt ACR1(C102A)	Guillardia theta	grönt på röd av	Govorunova et al. 2018	bistabil
Gt ACR1(R83Q/N239Q) FLASH	Guillardia theta	grönt på	Kato et al. 2018	mycket snabb stängning, stora strömmar inhibering av simning hos C. elegans , hämning av spik hos mus
Gt ACR2	Guillardia theta	blå	Govorunova et al. 2015	hämning av beteende i Drosophila hämning av rädsla utrotning hos möss
PsACR1	Proteomonas sulcata	grön	Wietek et al. 2016, Govorunova et al. 2016	stora strömmar
ZipACR	Proteomonas sulcata	grön	Govorunova et al. 2017	väldigt snabbt
RapACR	Rhodomonas salina	grön	Govorunova et al. 2018	mycket snabba, stora strömmar
SwiChR++	Chlamydomonas reinhardtii	blått på röd av	Berndt et al. 2016	bistabil
Phobos CA	Chlamydomonas reinhardtii	blått på röd av	Wietek et al. 2017	bistabil
Aurora	Chlamydomonas reinhardtii	orange röd	Wietek et al. 2017	stoppa förflyttning av Drosophila -larver
MerMAIDs	okänd	grön	Oppermann et al. 2019	inaktiveras snabbt

Ansökningar

Anjonledande kanalrodopsiner (ACR) har använts som optogenetiska verktyg för att hämma neuronal aktivering. När de uttrycks i nervceller fungerar ACR som ljusstyrda kloridkanaler . Deras effekt på neurons aktivitet är jämförbar med GABAA _- receptorer , ligandstyrda kloridkanaler som finns i inhiberande synapser : Eftersom kloridkoncentrationen i mogna neuroner är mycket låg, resulterar belysning i ett inåtriktat flöde av negativt laddade joner, vilket klämmer fast neuronen vid kloridomkastningspotentialen ( -65 mV). Under dessa förhållanden kan excitatoriska synaptiska ingångar inte effektivt depolarisera neuronen. Denna effekt är känd som shuntningshämning (i motsats till hämning genom hyperpolarisering ). Att belysa dendriten förhindrar generering av dendritiska kalciumspikar medan belysning av hela neuronen blockerar aktionspotentialinitiering som svar på sensorisk stimulering. Axonterminaler har emellertid en högre kloridkoncentration och exciteras därför av ACR. För att hämma neuroner med bredfältsbelysning har det visat sig användbart att begränsa ACR till det somatiska utrymmet (ST-varianter).

På grund av sin höga ljuskänslighet kan ACR aktiveras med svagt ljus som inte stör visuell stimulering, även hos mycket små djur som fruktflugan Drosophila . I kombination med en rödljuskänslig katjonledande kanalrodopsin tillåter ACR dubbelriktad kontroll av neuroner: Tystnad med blått ljus, aktivering med rött ljus ('Bipoler').

Vidare läsning

Neuron Review (2017): Tysta nervceller: verktyg, applikationer och experimentella begränsningar

Forskningshöjdpunkt: Ett bättre sätt att stänga av neuroner

Perspektiv: Utöka optogenetikverktyget

Relaterat: Halorhodopsin , en ljusdriven kloridpump