ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТОГЕНЕТИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ К ИССЛЕДОВАНИЮ ФУНКЦИЙ МОЗГА И ПРОТЕЗИРОВАНИЮ ДЕГЕНЕРАТИВНОЙ СЕТЧАТКИ
PDF

Ключевые слова

оптогенетика
анионный родопсин
нейрон
синаптическая пластичность
сетчатка
оптогенетическое протезирование

Как цитировать

Малышев , А. Ю., & Островский, М. А. (2019). ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТОГЕНЕТИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ К ИССЛЕДОВАНИЮ ФУНКЦИЙ МОЗГА И ПРОТЕЗИРОВАНИЮ ДЕГЕНЕРАТИВНОЙ СЕТЧАТКИ. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, 105(11), 1406–1416. https://doi.org/10.1134/S0869813919110086

Аннотация

Оптогенетика, которую можно определить как метод, позволяющий осуществлять управление при помощи света активностью нейронов за счет экспрессии в них светоактивируемых белков, является мощным инструментом в нейрофизиологических исследованиях. Оптогенетика определила значительный прогресс в изучении функций мозга в последнюю декаду. Прогресс оптогенетики решающим образом зависит от разработки новых молекулярных инструментов – светоактивируемых белков.

Для возбуждения клеток в оптогенетике наиболее часто используется природный светоактивируемый катионный канальный родопсин2 (ChR2). В 2015 г. был идентифицирован природный светоактивируемый хлорный канал GtACR2, способный в оптогенетических экспериментах с высокой эффективностью подавлять активность нейронов. Мы обнаружили уникальные свойства данного канала, показав, что в GtACR2-экспрессирующих нейронах световой стимул, помимо сильного торможения, также может вызывать генерацию потенциалов действия, которая происходит, по всей видимости, в аксонных терминалях нейрона за счет измененного потенциала реверсии хлора в этих отделах клетки.

В своей работе мы применяем оптогенетичекие методы для изучения клеточных механизмов обучения и памяти. Используя экспрессию канального родопсина2 в сети пресинаптических нейронов, мы применяли в рамках одного эксперимента световую стимуляцию для изучения свойств синаптических связей и их пластичности в целой популяции нейронов.

Одним из перспективных направлений клинического применения оптогенетики является ее использование для протезирования дегенеративной сетчатки. Вариантом такого подхода является воссоздание ON/OFF рецептивного поля ганглиозных клеток сетчатки путем таргетированной экспрессии возбуждающего светоактивируемого белка в центральной части ганглиозной клетки, а тормозного – в периферической. В рамках данного подхода нами была создана бицистронная конструкция, несущая гены возбуждающего и тормозного опсинов, экспрессия которой была способна привести к восстановлению ON/OFF взаимодействий, характерных для ганглиозного нейрона.

https://doi.org/10.1134/S0869813919110086
PDF

Литература

Boyden E.S., Zhang F., Bamberg E., Nagel G., Deisseroth K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat. Neurosci. 8(9):1263-1268. 2005.

Lin J.Y. A user's guide to channelrhodopsin variants: features, limitations and future developments. Exp. Physiol. 96(1):19-25. 2011.

Nagel G., Szellas T., Huhn W., Kateriya S., Adeishvili N., Berthold P., Ollig D., Hegemann P., Bamberg E. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 100(24):13940-13945. 2003.

Bernstein J.G., Boyden E.S. Optogenetic tools for analyzing the neural circuits of behavior. Trends Cogn. Sci. 15(12):592-600. 2011.

Berndt A., Lee S.Y., Ramakrishnan C., Deisseroth K. Structure-guided transformation of channelrhodopsin into a light-activated chloride channel. Science. 344:420-420. 2014.

Wietek J., Wiegert J.S., Adeishvili N., Schneider F., Watanabe H., Tsunoda S.P., Vogt A, Elstner M., Oertner T.G., Hegemann P. Conversion of channelrhodopsin into a light-gated chloride channel. Science. 344:409-412. 2014.

Govorunova E.G., Sineshchekov O.A., Janz R., Liu X., Spudich J.L. Natural light-gated anion channels: A family of microbial rhodopsins for advanced optogenetics. Science. 349:647-650. 2015.

Dolgikh D.A., Malyshev A.Y., Roshchin M.V., Smirnova G.R., Nekrasova O.V., Petrovskaya L.E., Feldman T.B., Balaban P.M., Kirpichnikov M.P., Ostrovsky M.A. Comparative characteristics of two anion-channel rhodopsins and prospects of their use in optogenetics. Dokl. Biochem. Biophys. 471:440-442. 2016.

Malyshev A.Y., Roshchin M.V., Smirnova G.R., Dolgikh D.A., Balaban P.M., Ostrovsky M.A. Chloride conducting light activated channel GtACR2 can produce both cessation of firing and generation of action potentials in cortical neurons in response to light. Neurosci. Lett. 640:76-80. 2017.

Mahn M., Gibor L., Patil P., Cohen-Kashi Malina K., Oring S., Printz Y., Levy R., Lampl I., Yizhar O. High-efficiency optogenetic silencing with soma-targeted anion-conducting channelrhodopsins. Nat. Commun. 9:4125. 2018.

Chistiakova M., Bannon N.M., Bazhenov M., Volgushev M. Heterosynaptic plasticity: multiple mechanisms and multiple roles. Neuroscientist. 20:483-98. 2014.

Langevin L.M., Mattar P., Scardigli R., Roussigné M., Logan C., Blader P., Schuurmans C. Validating in utero electroporation for the rapid analysis of gene regulatory elements in the murine telencephalon. Dev. Dyn. 236(5):1273-1286. 2007.

Симонова Н.А., Баль Н.В., Балабан П.М., Волгушев М.А., Малышев А.Ю. Оптогенетический подход к изучению механизмов гетеросинаптической пластичности в нейронах неокортекса. Журн. высш. нервн. деят. 67:75-85. 2017. [Simonova N.A., Bal N.V., Balaban P.M., Volgushev M.A.1, Malyshev A.Y. Optogenetic approach to study mechanisms of heterosynaptic plasticity in cortical neurons. Zh. Vyssh. Nerv. Deiat. Im. I. P. Pavlova. 67:75-85. 2017. (In Russ.)].

Ostrovsky M.A., Kirpichnikov M.P. Prospects of Optogenetic Prosthesis of the Degenerative Retina of the Eye. Biochemistry (Mosc). 84(5):479-490. 2019.

Greenberg K. P., Pham A., Werblin F. S. Differential targeting of optical neuromodulators to ganglion cell soma and dendrites allows dynamic control of center-surround antagonism. Neuron. 69 : 713–720. 2011.

Wu C., Ivanova E., Zhang Y., Pan Z.H. rAAV-mediated subcellular targeting of optogenetic tools in retinal ganglion cells in vivo. PLoS One. 8 : e66332. 2013.

Koh E.Y., Ho S.C., Mariati, Song Z., Bi X., Bardor M., Yang Y. An internal ribosome entry site (IRES) mutant library for tuning expression level of multiple genes in mammalian cells. PLoS One. 8:e82100. 2013.

Петровская Л.Е., Рощин М.В., Смирнова Г.Р., Колотова Д.Е., Балабан П.М., Островский М.А., Малышев А.Ю. Бицистронная генетическая конструкция для оптогенетического протезирования рецептивного поля ганглиозной клетки дегенеративной сетчатки. Докл. А. Н. 486:258-261. 2019 [Petrovskaya L.E., Roshchin M.V., Smirnova G.R., Kolotova D.E. Balaban P.M., Ostrovsky M.A., Malyshev A.Y. Bicycronic construct for optogenetic prosthesis of ganglion cell receptive field of degenerated retina. Dokl. Acad. Nauk. 486:258-261. 2019 (In Russ.)].

Dolgikh D.A., Malyshev A.Y., Salozhin S.V., Nekrasova O.V., Petrovskaya L.E., Roshchin M.V., Borodinova A.A., Feldman T.B., Balaban P.M., Kirpichnikov M.P., Ostrovsky M.A. Anion-selective channelrhodopsin expressed in neuronal cell culture and in vivo in murine brain: Light-induced inhibition of generation of action potentials. Dokl Biochem Biophys. 465:424-427. 2015