【知识窗】Neuron重磅｜非人灵长类动物光遗传学开放资源库

编者按

        光遗传学是神经科学领域革命性的技术，通过使用光敏蛋白，对神经元活性进行前,所未有的精确调控。在过去的十年，光遗传学在小动物模型上出现蓬勃发展，每年都有数以百计的文章，在神经科学的各个领域运用到这项技术，并有希望成为改善神经和精神疾病患者生活质量的重要临床工具。

        该技术运用于临床之前，首先应该在非人灵长类动物（non-human primate,NHP）上验证其安全性和有效性，并且NHP中光遗传学的应用，还能加深我们对灵长类动物的大脑在细胞水平和介观的神经元网络水平调节方式的理解。但是自2009年第一份光遗传学运用于NHP的报告发表以来，光遗传学在NHP的研究十分缓慢。因为在NHP使用光遗传学存在较大的技术障碍，对于病毒载体和视蛋白的选择、光遗传方案的制定、注射方案和光刺激设置的优化等均存在较大的障碍，并且NHP的免疫系统和啮齿类动物也有所不同。因此对于希望进行NHP光遗传学研究的实验人员，很难获得实验相关的指导方案。小编在这里给大家推荐Tremblay S等发表在《Neuron》题为“An Open Resource for Non-human Primate Optogenetics”的文章，该文总结了世界各地45个实验室，1042种NHP光遗传学注射实验的方案（包括未发表的数据），整合成光遗传学非人灵长类动物实验数据资源库，以期为NHP相关实验人员提供技术指导，帮助扩大光遗传学在NHPs中的应用。
 

图1. 十年时间啮齿类和NHP动物光遗传学相关论文发表情况
 

1.NHP数据库的基本收录情况

        该数据库包括6种不同的NHP物种，其中71%为恒河猴、11%为食蟹猴、8%为日本猕猴、6%为狨猴。在大多数病毒注射方案均选用腺相关病毒作为基因传递的病毒载体。AAV5病毒载体占病毒注射的36%，其次是AAV9占比13%。AAV9和AAV5混合使用占比7%。7%的注射方案中使用慢病毒载体。在启动子的选择上，靶向兴奋性神经元的CaMKII（37%）是使用最为广泛的启动子，其次是融合人类突触素神经元的特异性启动子hSyn（22%）和融合巨细胞病毒的增强子和鸡β-肌动蛋白组成的启动子CAG（11%）。数据库中使用最广泛的是具有H134R突变的人源化视蛋白ChR2（39%），其次是非视蛋白No opsin（20%）。而抑制性视蛋白使用占数据库的25%。在报告基因的选择上，使用最广泛的报告基因是增强型黄色荧光蛋白（eYFP），占比45%，其次是GFP（17%）和mCherry（13%）。
 

图2. NHP数据库的基本收录情况

2 .光遗传学实验结果评估

        无论实验结果的成败，研究人员均从三方面对纳入NHP数据库的测量结果进行评估。1.解剖学，即使用组织或检测组织的结果。2.生理学，评价视蛋白的功能对神经活动的影响。3.行为学，评价光遗传学对行为学的影响。每一个结果会用四种方式进行定义：强效果、弱或混合效果、无效果和未测试。

        在1042次载体注射中，38%的视蛋白对神经活动有强烈影响，9%的存在微弱或混合的影响，而8%的报告显示完全没有影响。对视蛋白的表达分析发现，53%的视蛋白在目标神经元中强烈表达，而9%的存在弱表达。在行为学效应检测中，80%的报告均未做行为学检测，11%的报告显示出强烈的影响，3%的报告显示出弱或混合影响。
 

图3. NHP光遗传学实验结果评估
 

3.病毒载体构建结果 

       研究人员对使用的每一种类型的病毒载体、启动子、视蛋白和报告基因进行统计，并计算了使用每种病毒时测试成功的百分比。发现在食蟹猴中成功率最高（88%，110次注射实验），而在日本猕猴中成功率最低（64%，75次注射实验）。AAV9和AAV8M（Y733F）的成功率最高，分别为93%和88%。而CAV2（58%）和AAV5（71%）成功率最低。CMV和CaMKIIa启动子成功率最高，分别为85%和84%。eNpHR3.0视蛋白成功率高达88%。eYFP报告基因成功率高达86%。
 

图4. 不同病毒载体成功率

表1. 数据库中包含的所有病毒载体信息

4. 病毒载体递送方式 

5 .结论

        总而言之，本文研究人员通过通力合作，建立了一个NHP光遗传学的开放数据库，每一个研究人员均可以通过登录https://osf.io/mknfu/进行投稿和查阅，网站将持续更新，为NHP相关科研人员提供各种成功或失败的案例分析，以期促进非人灵长类光遗传学研究的进步。

 

图片来源：Neuron

原文链接：DOI:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2020.09.027