光遗传学技术研究进展

光遗传学技术是结合遗传学和光学对生物体特定细胞实现精确光控的新兴生物技术。自基于微生物视蛋白的光遗传学策略应用以来,光遗传学在视蛋白的开发与优化,基于病毒和重组酶的遗传学定位表达以及光学传输技术等方面都取得了显著进展。光遗传学在现代神经生物学领域应用广泛,在神经环路、行为、中枢神经系统疾病、精神疾病的机理研究中发挥着重要作用。主要介绍光遗传学技术的发展历程,重点介绍光遗传学工具的优化以及定位表达,旨在为光遗传学及相关领域的研究发展提供参考。     

光遗传学在治疗神经内科疾病中的研究进展

神经内科疾病为临床常见疾病。其发病机制复杂,若不及时干预治疗,易导致所患疾病恶化,并伴随多种并发症,严重危害患者的身心健康。因此,深入了解大脑中枢神经细胞的调控机制成为神经科学领域的主要任务。近几年,随着光遗传学的建立与飞速发展,这项能够进入神经元并且精确控制细胞的技术为研究者在细胞水平上进一步探索神经内科疾病的发病机制,以及治疗此类疾病的方法提供了帮助。从光遗传学的发展历史、光敏感蛋白的发现以及光遗传学在部分常见神经系统疾病中的研究进展三个方面对光遗传学进行阐述,为研究者在探索临床上治疗神经内科疾病提出了新方法,进一步促进了人类对大脑各神经元作用的了解。     

光遗传学技术用于调控细胞信号通路的研究

光遗传学技术结合蛋白的遗传学表达与激光的光控和成像,可实现对细胞内特定信号通路分子的快速激活与调控,在细胞生物学的研究中具有广阔的应用前景。至今为止,越来越多的光控元件被发现,它们具备不同的结构特征及光反应特性,极大的扩展了光遗传学技术的生物医学应用。该综述将对不同种类的光控元件及其应用于活细胞中信号通路调控的研究进行总结。     

光控表达系统在合成生物学中的调控作用

光遗传学技术是将遗传学技术与光控技术相结合,利用光源控制生物过程的一项全新技术。光控表达系统是基于光遗传学技术与合成生物学方法相结合的策略,将光作为感测模块与生物体内已有的基因模块组合构成全新的基因回路,通过光信号动态调控基因表达的系统。该系统是一种低成本、低毒性、高灵活性的新型动态调控开关,对基因精准调控的同时还能有效解决能源短缺问题。目前,该系统已经成熟地应用于疾病诊疗、材料合成等领域,同时也极大促进了微生物代谢及合成生物学的发展。光受体是光遗传学技术中不可缺少的工具元件,根据不同生物光受体的感光特性,介绍用于控制基因表达的光调控系统,重点分析其在调控微生物系统内基因表达、代谢途径和药物递送中的应用,探讨光遗传学技术在合成生物学应用中可能存在的问题及未来发展前景。     

光遗传学技术在调控细菌生命活动中的应用

光遗传学技术利用光作为输入信号,能够精准地调控细胞的生理功能,同时具有高度的时间和空间特异性,使得构建高度动态的调控系统成为可能.近年来,随着新型光敏蛋白的发现和光照系统的创新,基于光遗传学技术的光控系统的效率得到了显著提高.通过合成生物学方法构造各种生物回路,光控系统在细菌中的应用也日益广泛.将光控系统作为输入模块,与其他生物功能模块相结合,能够实现对基因表达、蛋白质活性以及细菌生理功能的调控.本文主要介绍光遗传学技术的基本原理及其在合成生物学和调控细菌生命活动方面的应用.     

光遗传学工具的开发及其应用研究

细胞所处微环境的动态变化对细胞分化、细胞信号通路、个体生长以及疾病等有很大影响。光遗传学技术利用基因编码蛋白质表达并结合光控的手段为动态调控细胞信号通路、细胞定位和基因表达等方面提供了一种全新、无损、可逆、非侵入、时空特异性的研究手段。文中总结了光遗传学元件的类型以及涉及的细胞信号通路,并探讨了光控细胞信号通路的应用与未来发展前景。     

光遗传学技术在神经生物学领域的发展及应用

光遗传学技术是基因工程学与光学相结合的一项新兴技术。简要介绍了光遗传学技术的概念、发展过程及作用机理,概述了光遗传学技术中通道视蛋白的类型和该技术在神经生物学领域的应用。     

光控诱导重组系统的开发与应用

位点特异性重组系统由重组酶和特异性识别位点两部分组成,是一种强大的基因操作工具,被广泛运用于生命科学研究。已开发的诱导型重组系统以时空方式精准调控细胞和动物的基因表达,被用于基因功能研究、细胞谱系示踪和疾病治疗等领域。根据诱导重组酶时空表达方式的不同,诱导型重组系统可分为化学诱导和光控诱导两种方式。光控诱导重组系统是利用光作为诱导剂,根据光控方式和对象的不同,可进一步分为光笼和光遗传学两类。光笼诱导重组系统是利用光敏基团来控制化学诱导剂或重组酶,光诱导前它们的活性被光敏基团抑制;在特定光照射后,它们的活性被恢复,进而实现光控诱导基因重组。光遗传学诱导重组系统是通过光遗传学开关介导分割型重组酶的重新激活来诱导基因重组。其中光遗传学开关由一系列基因编码的光敏蛋白组成,包括隐花色素、VIVID蛋白、光敏色素等。这些类型丰富的光控诱导重组系统为从高时空分辨率的维度解析基因的表达和功能提供了更多的工具,以满足日益复杂的生命科学研究需求。本文主要对不同类型光控诱导重组系统的开发原理及应用进行综述,比较其优缺点,最后对未来开发更多光控重组系统进行展望,旨在为系统优化升级提供理论基础和指导。     

光钳及其在生物学中的应用

本文综述了光钳的原理及其在细胞生物学、免疫学及分子遗传学中的应用。将光钳和激光微束系统联合使用可以进行显微操作。其特点是操作简便,无机械接触並且绝对无菌。光钳和微束系统可用来切割染色体,收集染色体片段,融合细胞以及改变细胞和细胞器的行为。     

上转换纳米颗粒介导的无线光遗传学技术的研究进展

光遗传学技术是结合基因工程和光学技术对生物体特定细胞进行精确调控的新兴生物技术,该技术可以特异性地兴奋或抑制靶神经元,成为解析介导特定行为神经环路的强有力的工具.传统技术依赖光纤,对脑组织有损伤且限制了动物的自由活动.新一代上转换纳米颗粒介导的无线光遗传学技术,借助近红外光组织穿透相对深的特性,能够对啮齿类动物脑组织深层核团进行无线调控,克服了传统技术中埋置光纤存在的缺陷.本文总结了上转换纳米颗粒介导的无线光遗传学技术的发展历程及现状,比较分析了这类无线光遗传学技术的优缺点,最后对该技术面临的挑战及未来前景进行了分析和展望.     

LOV to BLUF: flavoprotein contributions to the optogenetic toolkit

Optogenetics is an emerging field that combines optical and genetic approaches to non-invasively interfere with cellular events with exquisite spatiotemporal control. Although it arose originally from neuroscience, optogenetics is widely applicable to the study of many different biological systems and the range of applications arising from this technology continues to increase. Moreover, the repertoire of light-sensitive proteins used for devising new optogenetic tools is rapidly expanding. Light, Oxygen, or Voltage sensing (LOV) and Blue-Light-Utilizing flavin adenine dinucleotide (FAD) (BLUF) domains represent new contributors to the optogenetic toolkit. These small (100-140-amino acids) flavoprotein modules are derived from plant and bacterial photoreceptors that respond to UV-A/blue light. In recent years, considerable progress has been made in uncovering the photoactivation mechanisms of both LOV and BLUF domains. This knowledge has been applied in the design of synthetic photoswitches and fluorescent reporters with applications in cell biology and biotechnology. In this review, we summarize the photochemical properties of LOV and BLUF photosensors and highlight some of the recent advances in how these flavoproteins are being employed to artificially regulate and image a variety of biological processes.     

The optogenetic (r)evolution

Optogenetics is a rapidly evolving field of technology that allows optical control of genetically targeted biological systems at high temporal and spatial resolution. By heterologous expression of light-sensitive microbial membrane proteins, opsins, cell type-specific depolarization or silencing can be optically induced on a millisecond time scale. What started in a petri dish is applicable today to more complex systems, ranging from the dissection of brain circuitries in vitro to behavioral analyses in freely moving animals. Persistent technical improvement has focused on the identification of new opsins, suitable for optogenetic purposes and genetic engineering of existing ones. Optical stimulation can be combined with various readouts defined by the desired resolution of the experimental setup. Although recent developments in optogenetics have largely focused on neuroscience it has lately been extended to other targets, including stem cell research and regenerative medicine. Further development of optogenetic approaches will not only highly increase our insight into health and disease states but might also pave the way for a future use in therapeutic applications.     

单细胞凝胶电泳应用研究进展

单细胞凝胶电泳技术是被广泛使用的检测DNA损伤的技术,其具有灵敏度高、简便、经济、快速等各种优点。在近30年来,该技术广泛被应用于遗传毒理、环境监测、医学诊断等研究及各类实验证实方面。近些年单细胞凝胶电泳与荧光原位杂交等其他技术相结合后更是拓宽了它的应用范围,本文主要介绍了单细胞凝胶电泳的原理及优劣,并重点阐明了其在遗传毒理学、细胞凋亡、环境监测、群体生物学、临床诊断与治疗,生物信息学领域上的应用,并讨论了它的发展前景。     

New era of optogenetics: from the central to peripheral nervous system

Abstract

Optogenetics has recently gained recognition as a biological technique to control the activity of cells using light stimulation. Many studies have applied optogenetics to cell lines in the central nervous system because it has the potential to elucidate neural circuits, treat neurological diseases and promote nerve regeneration. There have been fewer studies on the application of optogenetics in the peripheral nervous system. This review introduces the basic principles and approaches of optogenetics and summarizes the physiology and mechanism of opsins and how the technology enables bidirectional control of unique cell lines with superior spatial and temporal accuracy. Further, this review explores and discusses the therapeutic potential for the development of optogenetics and its capacity to revolutionize treatment for refractory epilepsy, depression, pain, and other nervous system disorders, with a focus on neural regeneration, especially in the peripheral nervous system. Additionally, this review synthesizes the latest preclinical research on optogenetic stimulation, including studies on non-human primates, summarizes the challenges, and highlights future perspectives. The potential of optogenetic stimulation to optimize therapy for peripheral nerve injuries (PNIs) is also highlighted. Optogenetic technology has already generated exciting, preliminary evidence, supporting its role in applications to several neurological diseases, including PNIs.     

激光捕获显微切割在肿瘤多组学研究中的应用进展

当今社会,肿瘤因其高发病率和高死亡率成为威胁人类健康的重要疾病,研究者们对其发病机制及治疗手段的研究和探索也在不断深入。随着单细胞多组学测序技术的发展,肿瘤组织的异质性问题逐渐被研究人员所认识。为了解决这一问题,激光捕获显微切割（laser capture microdissection,LCM）技术应运而生。LCM技术是一种在显微镜直视下从器官或组织中准确获取某种特定的细胞群或单个细胞的样本收集技术。LCM技术结合多种分子生物学手段可以对异质性组织进行多组学研究,丰富了现有的肿瘤蛋白质组学、基因组学以及转录组学图谱,因此,LCM技术成为研究特异性表达及分子机制的有力工具,在肿瘤学领域得到广泛应用。基于此,对LCM的原理、优势及其在肿瘤多组学研究中的应用进行了综述,并对其未来可能的发展方向进行了展望,以期为肿瘤的研究和治疗提供新的思路。     

单细胞测序方法研究进展

近年来,高通量测序技术(Next-generation sequencing,NGS)快速发展,已广泛应用于生命科学各个领域,但传统的混合细胞测序(Bulk cell sequencing)检测的是细胞群体的总平均反应,无法反应每个细胞的真实情况,这会影响研究者对细胞功能认知的准确性。单细胞测序技术(Single cell sequencing,sc-Seq)的出现,从一定程度上解决了传统测序固有的缺陷。单细胞测序是针对单个细胞的RNA或DNA进行测序,能够准确测出单个细胞的基因结构和表达状态,从而分析相同表型细胞的异质性。本文首先介绍单细胞测序的原理、测序类型和测序平台,有助于理解单细胞测序和在进行科研项目时设计合适的项目方案。进一步介绍单细胞转录组测序的分析流程和各种常用的分析工具或软件,并重点阐述单细胞转录组测序分析中的细胞聚类和拟时序分析的原理和研究进展,为进行单细胞转录组测序数据分析提供参考。最后,本文简述了单细胞测序研究热度、单细胞测序的应用、挑战和展望等,有助于更全面地认识单细胞测序。     

基因芯片技术在食品致病菌检测中的应用

基因芯片技术作为一种新的技术平台,已广泛地应用于食品研究领域。随着该技术的不断完善,其将在食品研究和食品安全中发挥越来越重要的作用。就基因芯片技术检测食品中常见致病菌的基本原理、检测过程、存在的问题、研究进展作一介绍。     

光遗传学在细菌生产调控中的应用进展

合成生物学的发展使得人们可以根据需求对微生物进行改造,作为“工厂”高效地合成催化所需物质,并通过添加化学诱导物的方式对生命过程进行调控。然而,化学诱导的潜在毒性以及不可逆性等限制其应用。光遗传学技术利用特定波长的光信号实现对细胞生命过程的调控,具有特异性、可逆性、高时空分辨率等特点。近年来,人们对不同来源的光敏蛋白进行改造,开发出各种不同波长、不同效应的光遗传元件用于基因回路的构建,进而实现对细菌蛋白合成、代谢过程的调控。光遗传技术在人与细菌之间搭起了实时的信号沟通桥梁,实现更为精准的物质生产调控:(1)通过光控治疗因子的合成分泌进行药物递送;(2)通过代谢通路的控制提高目的产物的催化效率;(3)通过光诱导控制生物活材料的形成。随着探索的深入,更小体积、更多波长、更高效率的光遗传元件将被开发出来,实现多输入的细菌生命活动调控。     

Expanding the repertoire of optogenetically targeted cells with an enhanced gene expression system

Optogenetics has been enthusiastically pursued in recent neuroscience research, and the causal relationship between neural activity and behavior is becoming ever more accessible. Here, we established knockin-mediated enhanced gene expression by improved tetracycline-controlled gene induction (KENGE-tet) and succeeded in generating transgenic mice expressing a highly light-sensitive channelrhodopsin-2 mutant at levels sufficient to drive the activities of multiple cell types. This method requires two lines of mice: one that controls the pattern of expression and another that determines the protein to be produced. The generation of new lines of either type readily expands the repertoire to choose from. In addition to neurons, we were able to manipulate the activity of nonexcitable glial cells in vivo. This shows that our system is applicable not only to neuroscience but also to any biomedical study that requires understanding of how the activity of a selected population of cells propagates through the intricate organic systems.     

动物细胞大规模培养技术

近年来,动物细胞大规模培养技术在生物技术领域成为最受关注的热点之一,并开始广泛应用于生物医药的研发和生产过程中。以生物反应器技术为基础的动物细胞大规模培养技术平台,正逐步被建立起来并日益走向成熟,成为推动生物医药产业快速发展的有力工具。结合该技术目前的应用水平和最新进展,分析了不同细胞培养工艺之间的内在差异,以探索这一技术的未来发展方向。