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光遗传学融合光学及遗传学的技术，精准控制特定细胞在空间与时间上的活动。其时间上精准程度可达到釐秒，而空间上则能达到单一细胞大小。2010年光遗传学被Nature Methods选为年度方法[1] [2] [3]，同年被Science认为是近十年来的突破之一 [4]。在两个期刊也分别在Youtube影片 及美国科学人文章里，以科普的方式解释何谓光遗传学。

发展

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1979年弗朗西斯·克里克首次提出，为了了解大脑如何运作，我们需要一种方法，可以每次只让某一特定型态神经元活动被抑制，而不影响其他神经元的活动[5]。然而就当时技术，利用侵入性电极来控制神经活动，没有办法准确控制哪些神经元被抑制或活化，而利用药物或者基因突变，虽然可以大致知道哪些神经元被影响，却没办法精准地控制何时这些神经元被抑制或活化。其后，许多人尝试将各式各样的基因或化合物结合在一起，希望其能表现在神经元里，利用光来控制神经元活动[6][7][8]。这些方法虽然有效，但其在控制神经元活动的速度，标的神经元的精准度，能否表现在深层神经组织，对生物体是否有毒性，以及是否能简易地应用在其他模式生物系统等等考量上，往往并非理想，因而尝试几年之后，科学家转而思考，是否有办法找到在自然界中本身便对光有反应，并且能调控细胞电位的蛋白质。

然而其实早在1973年，微生物学家便发现细菌视紫质（英语：bactereorhodpsin）照光之后会成为离子泵（英语：ion transporter）[9]，1977年发现盐细菌视紫红质（英语：halorhodpsin）也是离子泵（英语：ion transporter），照黄绿光后会将氯离子打出细胞外[10]，随后在2002年发现光敏感通道（英语：channelrhodopsin），照蓝光之后会将阳离子打进细胞内[11]。

到了2005年八月，科学家第一次将光敏感通道（英语：channelrhodopsin）表现在神经元里，发现我们可以用蓝光准确控制何时活化神经元，而光遗传学一词也在此时出现。随后发现细菌视紫质（英语：bactereorhodpsin）与盐细菌视紫红质（英语：halorhodpsin）也都能在神经元表现，准确调控其活动，并对神经元不产生毒害，至此之后，光遗传学迅速改变神经生物学界，成为了解特定神经元在大脑中扮演何种角色，不可或缺的工具。

活化神经元的光遗传学工具

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光敏感通道-1(Channelrhodopsin-1)及光敏感通道-2(Channelrhopsin-2)皆从莱茵衣藻（英语：Chlamydomonas reinhardtii）里头发现，将其基因序列修改成最适合哺乳类表现之后，在大多模式生物系统之中都有很稳定的表现，且对细胞没有毒性。其中光敏感通道-2在全反式视黄醛(all-trans retinal)存在之下，可以在接受蓝光刺激50毫秒内，打开通道，使阳离子钠，钾流入细胞内，去极化神经细胞[12]。不同的突变使光敏感通道-2有不同的特质，其中最常见的是将第134个氨基酸由组胺酸突变为精胺酸(ChR2(H134R))，该蛋白质可以产生两倍的光电流，但通道开关速度也比野生种慢了一倍[13]

在此之后，各式光遗传学工具纷纷出炉，大致上依其组成型态可分成三类。一类为以光敏感通道-2为基础，对其进行点突变，如上述的ChR2(H134R),ChR2(T159C)(TC),ChR2(L132C)(CatCh)等等，其中甚至有被称为跃阶光敏感通道（step function opsin, SFO)的突变，如ChR2(C128S/D156A)可以打开其离子通道长达30分钟。第二类则为将某部分光敏感通道-1及光敏感通道-2组合在一起的蛋白质，如ChIEF。第三类则为将光敏感通道-1及由团藻发现的光敏感通道(VChR1)组合在一起的蛋白质，统称为C1V1[14]。

抑制神经元活动的光遗传学工具

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第一个有效抑制神经元活动的光遗传学工具，是从嗜盐碱菌（英语：Natromonas）里头发现的盐系菌视紫红质（英语：halorhodopsin），简称NpHR。其在黄绿光照射下会将氯离子打进神经元内，使其过极化，而抑制神经元活动[15]。随后科学家将其加上信号肽，使其能在细胞膜上表现更好，即为eNpHR2.0[16]及eNpHR3.0[17]。由于盐系菌视紫红质与光敏感通道接受不同波长的光，因此可以将此二蛋白质表现在同一神经元上，利用不同波长的光活化或抑制该神经元活动，而能更深刻了解该神经元在大脑中扮演的角色。

此外还有从苏打盐红菌（英语：Halorubrum）里发现的古紫质(Archaerhodpsin-3, Arch)，古紫质为反氢泵（英语：proton pump），其对黄绿光非常敏感，使用900毫安培的黄绿光便能活化，将氢离子运送至神经元外，使其去极化。另外还有从真菌茎基溃疡病菌（英语：Leptosphaeria maculans）发现的Mac，可在蓝绿光照射下，将氢离子运送至神经元外[18]。

值得注意的是，NpHR与Arch或Mac用不同机转来抑制神经元活动，近来发现NpHR将氯离子送至细胞内所导致的去极化，会在去极化后提升突触所引起的动作电位产生几率，而将氢离子运送至神经元外的Arch或Mac并无此影响，显示抑制神经元活动的光遗传学工具，可能会和神经原本身的讯号系统互相作用[19]。

应用

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秀丽隐杆线虫

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秀丽隐杆线虫因其全身透明，基因克隆技术简单，且其神经网络如何连结大致已被界定[20]，很适合利用光遗传学来研究其神经网络如何控制行为。研究显示光敏感通道-2[21]、盐系菌视紫红质（英语：halorhodopsin）[22]、古紫质(Archaerhodpsin-3, Arch)[23]均能在秀丽隐杆线虫上表现，控制神经元活动。许多科学研究已经能成功在自由移动的秀丽隐杆线虫，利用光学技术，控制特定神经元活动[24][25]。利用光遗传学技术，现在研究已经了解部分痛觉网络的神经元扮演的角色[26]，发现控制特定神经元活动得以使秀丽隐杆线虫转弯、后退，甚至沿着虚拟光梯度前行[27]。

参考文献

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  1. ^ Pastrana E. Optogenetics: controlling cell function with light (2011) Nature Methods 8, 24–25 doi:10.1038/nmeth.f.323
  2. ^ Method of the Year 2010, Nature Methods 8, 1 (2011) doi:10.1038/nmeth.f.321
  3. ^ Deisseroth, K Optogenetics (2011) Nature Methods 8, 26–29 doi:10.1038/nmeth.f.324
  4. ^ Stepping Away From the Trees For a Look at the Forest (2010) Science vol 330
  5. ^ Crick, Francis H. Thinking about the brain. Sci. Am. 1979, 241: 219–232. 
  6. ^ Zemelman, BV; GA Lee, M Ng, G Miesenbock., Selective photostimulation of genetically chARGed neurons., Neuron: 15–22, 2002 
  7. ^ Zemelman, BV. Photochemical gating of heterologous ion channels: remote control over genetically designated populations of neurons. Proc.Natl. Acad. Sci. USA. 2003, 100: 1352–57. 
  8. ^ Lima, SQ. Remote control of behavior through genetically targeted photostimulation of neurons.. Cell. 2005, 121: 141–52. 
  9. ^ OESTERHELT, DIETER; WALTHER STOECKENIUS. Functions of a New Photoreceptor Membrane. Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1973, 70 (10): 2853–2857. 
  10. ^ Matsuno-Yagi, A.; Y. Mukohata. Two possible roles of bacteriorhodopsin; a comparative study of strains of Halobacterium halobium differing in pigmentation. Biophys. Res. Commun. 1977, 78: 237–243. 
  11. ^ Nagel, Georg; et al. Channelrhodopsin-1: A Light-Gated Proton Channel in Green Algae. Science. 2002, 296: 2395–2392. 
  12. ^ Boyden, Edward S; Feng Zhang, Ernst Bamberg, Georg Nagel, Karl Deisseroth. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature Neuroscience. 14 August 2005, 8 (9): 1263–68. doi:10.1038/nm1525. 
  13. ^ Nagel,, G; et al. Light activation of channelrhodopsin-2 in excitable cells of Caenorhabditis elegans triggers rapid behavioral responses. Curr. Biol. 2005, 15: 2279–2284. 
  14. ^ Mattis, Joanna; et al. Principles for applying optogenetic tools derived from direct comparative analysis of microbial opsins. Nat. Met. 2012, 9 (2): 159–172. doi:10.1038/nmeth.1808. 
  15. ^ Zhang, Feng; et al. Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry. Nature. 2007, 446: 633–639. doi:10.1038/nature05744. 
  16. ^ Gradinaru, V.; K.R. Thompson, K. Deisseroth. eNpHR: a Natronomonas halorhodopsin enhanced for optogenetic applications. 36: 129–139. 2008.  已忽略未知参数|jounral= (帮助);
  17. ^ gradinaru, V.; et al. Molecular and cellular approaches for diversifying and extending optogenetics.. Cell. 2010, 141: 154–165. 
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  20. ^ }}cite journal|title=The structure of the nervous system of the nematode Caenorhabditis elegans|journal = Phil. Trans. R. Soc. Lond. B| date=1986|first=J.G.|last=White|coauthors=E. Southgate, J.N. Thomoson, S. Brenner, F.R.S.|volume=314|pages=1-340|accessdate=2012-10-07}}
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  24. ^ Stirman, Jeffrey N; et al. Real-time multimodal optical control of neurons and muscles in freely behaving Caenorhabditis elegans. Nature Method. 2011. doi:10.1038/nmeth.1555. 
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  26. ^ Husson, Steven J.; et al. Optogenetic analysis of a nociceptor neuron and network reveals ion channels acting downstream of primary sensors. Current Biolgoy. 2012, 22: 1–10. doi:10.1016/j.cub.2012.02.066. 
  27. ^ Kocabas, Askin; Ching-Han Shen, Zengcai V. Guo, Sharad Ramanathan. Controlling interneuron activity in Caenorhabditis elegans to evoke chemotactic behavior. Nature. 2012. doi:10.1038/nature11431. 
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