"Magneto" -protein: Genetisk konstrueret til at kontrollere hjerner og adfærd

Forskere i USA har udviklet en ny metode til kontrol af hjernekredsløb forbundet med kompleks dyreadfærd ved hjælp af genteknologi til at skabe et magnetiseret protein, der aktiverer specifikke grupper af nerveceller på afstand.

At forstå, hvordan hjernen genererer adfærd, er et af de ultimative mål for neurovidenskab - og et af dens sværeste spørgsmål. I de senere år har forskere udviklet en række metoder, der gør det muligt for dem at fjernstyre bestemte grupper af neuroner og til at undersøge funktionen af ​​neuronale kredsløb.

Den mest magtfulde af disse er en metode, der kaldes optogenetics, som gør det muligt for forskere at tænde eller slukke for populationer af relaterede neuroner på en millisekund-for-millisekund-tidsskala med pulser af laserlys. En anden nyligt udviklet metode, kaldet kemogenetik, bruger konstruerede proteiner, der aktiveres af designermedicin og kan målrettes mod specifikke celletyper.

Selvom de er stærke, har begge disse metoder ulemper. Optogenetik er invasiv, hvilket kræver indsættelse af optiske fibre, der afgiver lysimpulser til hjernen, og i øvrigt er det stærkt begrænset, i hvilket omfang lyset trænger ind i det tætte hjernevæv. Kemogenetiske tilgange overvinder begge disse begrænsninger, men inducerer typisk biokemiske reaktioner, der tager flere sekunder at aktivere nerveceller.

Den nye teknik, udviklet i Ali Gulerlaboratorium ved University of Virginia i Charlottesville og beskrevet i en forudgående online offentliggørelse i tidsskriftet Nature Neuroscience, er ikke kun ikke-invasiv, men kan også aktivere neuroner hurtigt og reversibelt.

Flere tidligere undersøgelser har vist, at nervecelleproteiner, der aktiveres af varme og mekanisk tryk, kan manipuleres genetisk, så de bliver følsom over for radiobølger   magnetiske felterved at fastgøre dem til et jernopbevarende protein kaldet ferritin eller til uorganiske paramagnetiske partikler. Disse metoder repræsenterer et vigtigt fremskridt - de har for eksempel allerede været vant til regulere blodsukkerniveauet hos mus - men involverer flere komponenter, der skal introduceres separat.

Den nye teknik bygger på dette tidligere arbejde og er baseret på et protein kaldet TRPV4, hvilket er følsom over for begge temperaturer   strækstyrker. Disse stimuli åbner dens centrale pore og tillader elektrisk strøm at strømme gennem cellemembranen; dette fremkalder nervøse impulser, der bevæger sig ind i rygmarven og derefter op til hjernen.

In vivo manipulation af zebrafiskadfærd ved hjælp af Magneto. Zebrafisklarver udviser viklingsadfærd i
reaktion på lokaliserede magnetfelter. Fra Wheeler et al (2016).

Güler og hans kolleger begrundede, at magnetiske drejningsmoment (eller roterende) kræfter kunne aktivere TRPV4 ved at trække åbne dets centrale pore, og så brugte de genteknologi til at smelte proteinet til den paramagnetiske region af ferritin sammen med korte DNA-sekvenser, der signalerer celler til transport proteiner til nervecellemembranen og indsæt dem i den.

Da de introducerede denne genetiske konstruktion i humane embryonale nyreceller, der voksede i petriskåle, syntetiserede cellerne 'Magneto' proteinet og indsatte det i deres membran. Anvendelse af et magnetfelt aktiverede det konstruerede TRPV1-protein, som det fremgår af forbigående stigninger i calciumionkoncentrationen i cellerne, som blev påvist med et fluorescensmikroskop.

Dernæst indsatte forskerne Magneto-DNA-sekvensen i genomet af en virus sammen med genet, der koder for grønt fluorescerende protein, og regulatoriske DNA-sekvenser, der får konstruktionen til kun at udtrykkes i bestemte typer neuroner. De injicerede derefter virussen i hjernen hos mus med målretning mod den entorhinal cortex og dissekerede dyrenes hjerner for at identificere de celler, der udsendte grøn fluorescens. Ved hjælp af mikroelektroder viste de derefter, at påføring af et magnetfelt på hjerneskiverne aktiverede Magneto, så cellerne producerer nervøse impulser.

For at bestemme, om Magneto kan bruges til at manipulere neuronal aktivitet hos levende dyr, injicerede de Magneto i zebrafisklarver med målretning mod neuroner i bagagerummet og halen, der normalt styrer et flugtrespons. De placerede derefter zebrafisklarverne i et specielt bygget magnetiseret akvarium og fandt ud af, at udsættelse for et magnetfelt inducerede viklingsmanøvre svarende til dem, der forekommer under flugtresponset. (Dette eksperiment involverede i alt ni zebrafisklarver, og efterfølgende analyser afslørede, at hver larve indeholdt ca. 5 neuroner, der udtrykker Magneto.)

Læs hele historien her ...