圖2. 光遺傳學的基本原理（以ChR2和NpHR為例）
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光遺傳學技術的研究步驟

光遺傳學技術的應用主要包括以下幾個關鍵步驟（圖3）：

1、需要尋找合適的光敏蛋白：例如起興奮神經元作用的Channelrhodopsin-2（ChR2），起抑制神 經元作用的Halorhodopsin（NpHR）和Archaerhodopsin（Arch）等，這類蛋白質具有天然的光敏性，或經過修飾后具有光敏性；

2、將遺傳信息傳遞給靶細胞：一般通過病毒轉導、轉染、轉基因動物等方式將光敏蛋白的遺傳信 息傳遞給靶細胞；

3、可控性演示：即通過導入光纖、控制激光來實現對神經元活動的精確控制；

4、實驗方法的有效性驗證：一般采用電極記錄神經元細胞膜內外電壓變化，以此驗證光敏感蛋白 的有效性；

5、表型檢測：通過行為學測試來評估神經元活動對動物行為的影響。

圖3. 光遺傳學實驗基本步驟（以ChR2為例）
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幾種激活神經元的通道蛋白

1、ChR2(H134R)：ChR2的突變體，將第134個氨基酸由組胺酸突變為精胺酸，該蛋白質可以產生兩 倍的光電流，但通道開關速度也比野生的ChR2慢了一倍；

2、ChR2(C128S/D156A): ChR2的突變體，超靈敏光敏感通道，用藍色激光打開通道，然后用綠色或 黃色激光關閉通道，可以打開其離子通道長達30分鐘；

3、ChR2(E123T/T159C): ChR2的突變體，更大的光電流和更快的動力學變化；

4、ChETA：ChR2的突變體，使得神經元在激光刺激下可以發放200Hz的spike，而其他的ChR2 通道 蛋白只能達到40Hz；

5、C1V1：由ChR1及由團藻發現的VChR1組合在一起的通道蛋白，在紅色激光刺激下打開通道。
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幾種抑制神經元活動的通道蛋白

1、NpHR：即為Halorhodopsin，第一個有效抑制神經元活動的光遺傳學工具，在黃綠激光照射下會 將氯離子打進神經元內，而抑制神經元活動。當把NpHR表達在哺乳動物腦內時，會聚集在內質網上，而如果將內質網輸出元件加在 NpHR基因序列后面，這樣可以使得NpHR在胞內高量表達，而且不會聚集在內質網上，這樣修改過的NpHR被稱為eNpHR2.0。但是 eNpHR2.0在細胞膜的聚集仍然不夠，而將一個高爾基體輸出元件和來自于鉀離子通道Kir2.1的上膜元件加在eNpHR2.0基因序列后面 ，這樣就能實現在神經元細胞膜上的高量聚集，這樣修改過的NpHR被稱為eNpHR3.0；

2、Arch：即為Archaerhodopsin，是一種黃色激光激活的外向整流質子泵，能夠將帶正電的質子從 神經元內移動到細胞外環境中，使神經元處于超極化狀態，從而保證神經元處于靜息狀態。在特定條件下，可用于增加細胞內pH或 減少細胞外基質pH。和NpHR相比，當激光關閉的時候，Arch立即從通道打開狀態恢復到關閉狀態。

3、Mac:即為 Leptosphaeria maculans fungal opsins，藍色激光激活的質子泵，能夠將帶正電的 質子從神經元內移動到細胞外環境中，使神經元保持超極化狀態，從而保證神經元處于靜息狀態。
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結語

光遺傳技術具有獨特的高時空分辨率和細胞類型特異性兩大特點，克服了傳統手段控制細胞或有機 體活動的許多缺點，能對神經元進行非侵入式的精準定位刺激操作而徹底改變了神經科學領域的研究狀況，為神經科學提供了革命 性的研究手段。光遺傳技術在將來還有可能發展出一系列針對中樞神經系統疾病的新療法。

其他相關應用

光遺傳? ? ?化學遺傳? ? ?神經環路示蹤? ??鈣離子成像? ? ?CRISPR/Cas9

Cre-LoxP? ? ?RNA干擾? ? ?基因過表達? ? ?microRNA表達? ??microRNA抑制