光遺傳學(xué)（Optogenetics）是將光敏感蛋白基因轉(zhuǎn)入特定細(xì)胞（主要是神經(jīng)元），再通過(guò)特定波長(zhǎng)光照，精準(zhǔn)、快速地控制細(xì)胞興奮或抑制的技術(shù)。

光遺傳學(xué)的基本原理

一、關(guān)鍵要素

1、光敏感蛋白（視蛋白）：

激活型：ChR2（通道視紫紅質(zhì)），藍(lán)光（~470 nm）開(kāi)放，陽(yáng)離子內(nèi)流→細(xì)胞興奮

抑制型：NpHR、Arch，黃光 / 綠光開(kāi)放，氯離子內(nèi)流或質(zhì)子外流→細(xì)胞抑制

2、光 + 基因

光控開(kāi)關(guān) + 細(xì)胞特異性表達(dá)，實(shí)現(xiàn)時(shí)空精準(zhǔn)調(diào)控。

二、完整實(shí)驗(yàn)操作步驟

在光遺傳操作中，細(xì)胞會(huì)表達(dá)特定的編碼光敏蛋白的基因，然后使用光來(lái)改變細(xì)胞的行為。光遺傳學(xué)技術(shù)的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

1. 尋找合適的光敏蛋白

光敏蛋白（也稱為視蛋白）是細(xì)胞膜上能夠感受某一波長(zhǎng)光照刺激而產(chǎn)生特定效應(yīng)的一類膜蛋白，

分為激活型和抑制型兩種，能夠引起神經(jīng)元興奮或抑制。通過(guò)多種工程方法對(duì)光敏蛋白進(jìn)行修飾，

形成了光敏感通道視紫紅質(zhì) (ChR)、嗜鹽菌視紫紅質(zhì) (HR) 和細(xì)菌視紫紅質(zhì) (BR) 等光敏蛋白家族。

① ChR2 由 475 nm 的藍(lán)光激活，是陽(yáng)離子選擇性通道，允許陽(yáng)離子（如 Na+ ）大量?jī)?nèi)流，

產(chǎn)生動(dòng)作電位，使神經(jīng)元處于興奮狀態(tài)。此外，ChR 的不同變體也已被開(kāi)發(fā)，包括 CatCh、

ChIEF、ChETA 和 VChR1 等。

② NpHR 氯泵，在 593 nm 的黃光激活下會(huì)將氯離子打進(jìn)神經(jīng)元內(nèi)，而抑制神經(jīng)元活動(dòng)。

③ Arch 質(zhì)子泵，在 575 nm 處被黃光或綠光激活，將帶正電的質(zhì)子轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外。在特定條

件下，可用于增加細(xì)胞內(nèi) pH 或減少細(xì)胞外基質(zhì)的 pH。

2. 將遺傳信息傳遞給靶細(xì)胞

通過(guò)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物、轉(zhuǎn)染、病毒感染等方式，將體外合適的光敏蛋白基因靶向?qū)�入到受體活細(xì)胞中。

目前光遺傳學(xué)研究中廣泛應(yīng)用的方法為借助病毒載體輸送光敏蛋白基因，AAV憑借其低免疫原性、

高組織特異性及無(wú)致病性等優(yōu)勢(shì)，在光遺傳研究中更具吸引力。

3. 可控性演示

通過(guò)導(dǎo)入光纖，控制激光實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)的精確控制。

4. 實(shí)驗(yàn)方法的有效性驗(yàn)證

一般采用電極記錄神經(jīng)元細(xì)胞膜內(nèi)外電壓變化，以此來(lái)驗(yàn)證光遺傳的有效性。

5. 表型檢測(cè)

通過(guò)行為學(xué)測(cè)試來(lái)評(píng)估神經(jīng)元活動(dòng)對(duì)動(dòng)物行為的影響。