【新手指南】小白速看｜不止光遗传！NaChBac&Kir2.1：神经元长期“开关”的秘密武器

一、NaChBac

全称：细菌电压门控钠通道（Bacterial voltage-gated Na+ channel，NaChBac）

1.作用原理

来源于原核生物的电压门控钠离子通道，在真核神经元中异源表达后，可介导持续性、低阈值的Na+内流。

使神经元细胞膜发生持续性去极化，提高神经元兴奋性，实现长期、慢性激活神经元。

不依赖瞬时刺激，一旦表达即可持续改变神经元放电特性。

2.核心优势

长效激活：一次病毒/转基因表达，可维持数天至数月的神经元激活，适合长期环路与行为学研究。

无需外界刺激：区别于光遗传、化学遗传，不需光照或药物，不干扰动物正常行为。

表达稳定、毒性低：在体内外神经元中表达温和，不引发明显细胞毒性。

特异性强：可结合Cre工具实现特定细胞类型的选择性激活。

图1.慢性激活中脑腹侧被盖区（VTA）囊泡谷氨酸转运体2（Vglut2）阳性神经元可诱发神经性厌食症的核心表型。慢性激活VTA^Vglut2神经元可导致摄食减少、体重增长放缓及活动量增加。

参考文献：

Cai J, Jiang Y, Xu Y, et al. An excitatory projection from the basal forebrain to the ventral tegmental area that underlies anorexia-like phenotypes. Neuron. 2024;112(3):458-472.e6. doi:10.1016/j.neuron.2023.11.001（IF=16.2）

二、Kir2.1

全称：内向整流钾通道2.1（Inwardly rectifying K+ channel 2.1，Kir2.1）

1.作用原理

介导强内向整流K+电流，使细胞膜电位维持在接近K+平衡电位的深度超极化水平。

显著降低神经元膜电阻与兴奋性，使其难以产生动作电位，实现慢性、持续性抑制。

同样为结构性表达调控，不依赖瞬时刺激。

2.核心优势

长效沉默：可实现神经元长期、稳定的功能抑制，适合慢性失活研究。

抑制效果强且温和：不破坏细胞结构，仅降低兴奋性，对细胞存活友好。

无外源刺激依赖：不影响动物自由活动，适合长时间在体行为实验。

细胞特异性操控：与Cre/Flp重组酶系统联用，实现精准细胞亚型抑制。

图2.在小鼠初级视皮层（V1）2/3层锥体细胞中过表达Kir2.1，可显著降低神经元自发性与视觉诱发性放电活动，从而抑制细胞兴奋性。

参考文献：

Xue M, Atallah BV, Scanziani M. Equalizing excitation-inhibition ratios across visual cortical neurons. Nature. 2014;511(7511):596-600. doi:10.1038/nature13321

三、两者联用的整体价值

构成神经元兴奋性双向长期调控系统：NaChBac负责慢性激活，Kir2.1负责慢性抑制。

属于不依赖光/药物刺激的结构性长效调控，适合长时程、无干扰的神经环路与行为学研究。

操作简单、表达稳定、兼容性强，是神经环路机制研究中非常成熟的“长效开关”工具。

图3.下丘脑室旁核表达黑皮质素4受体的神经元（PVH^MC4R神经元）活性为体重调控所必需，但激活该神经元不足以调控体重。通过Kir2.1与NaChBac双向调控PVH^MC4R神经元，证实其抑制可诱发肥胖，而激活无法降低体重，体现体重调控的单向偏向性。

参考文献：

Li H, Xu Y, Jiang Y, et al. The melanocortin action is biased toward protection from weight loss in mice. Nat Commun. 2023;14(1):2200. Published 2023 Apr 17. doi:10.1038/s41467-023-37912-z（IF=17.694）

四、案例分享

案例1

我司产品：

AAV-EF1a-DIO-Kir2.1-2A-EGFP

AAV-EF1a-DIO-EGFP

为验证抑制Tac1神经元（特异性表达速激肽前体1基因的神经元亚群）是否会诱发快感缺失样行为，研究人员在Tac1-Cre小鼠的伏隔核（NAc）外侧壳区特异性表达内向整流钾离子通道Kir2.1，实现对Tac1神经元的长效抑制。行为学结果表明，抑制Tac1神经元活性后，阈下社交挫败应激（SSDS）造模小鼠社交互动（SI）比率显著降低，明暗箱实验中明箱停留时长明显缩短。同时，在快感缺失行为学检测中，Tac1神经元抑制还会显著降低小鼠的蔗糖偏好指数。

图4.SSDS造模小鼠中抑制NAc外侧壳区Tac1神经元诱发快感缺失样行为

参考文献：

He ZX, Yin YY, Xi K, et al. Nucleus Accumbens Tac1-Expressing Neurons Mediate Stress-Induced Anhedonia-like Behavior in Mice. Cell Rep. 2020;33(5):108343. doi:10.1016/j.celrep.2020.108343（客户文章，IF=8.109）

案例2

使用病毒产品：AAV-Syn-DIO-NaChBac-dTomato

为探究腹内侧下丘脑BDNF阳性（VMH^BDNF）神经元是否为弓状核AgRP阳性（Arc^AgRP）神经元的功能性下游，本研究将AgRP-Cre小鼠与BDNF-Cre小鼠杂交获得双阳性小鼠，借助floxed条件性NaChBac腺相关病毒（细菌来源钠通道，可介导神经元组成型激活），通过脑立体定位分别向Arc与VMH注射病毒，分别或同时激活Arc^AgRP神经元与VMH^BDNF神经元。实验设置四组：单独激活Arc^AgRP神经元的AgRP-Cre组、单独激活VMH^BDNF神经元的BDNF-Cre组、同步激活两类神经元的双Cre组，以及野生型（WT）对照组，连续4周监测小鼠体重及每日热量摄入。

结果显示，单独激活Arc^AgRP神经元可导致小鼠显著食欲亢进、体重持续上升并呈现典型肥胖表型；而单独激活VMH^BDNF神经元则能显著减少摄食量、降低体重。在AgRP-Cre/BDNF-Cre双阳性小鼠中同步激活两类神经元后，动物的行为学与代谢表型完全复现了单独激活VMH^BDNF神经元的效应，摄食与体重均明显下降，且与WT组相比差异显著。上述结果证实，VMH^BDNF神经元在功能上定位于Arc^AgRP神经元的下游，是该摄食调控神经环路中关键的功能输出位点。

图5.利用NaChBac单一或共同激活Arc^AgRP神经元与VMH^BDNF神经元对小鼠体重及每日热量摄入的影响

参考文献：

Kosse, C., Ivanov, J., Knight, Z. et al. A subcortical feeding circuit linking an interoceptive node to jaw movement. Nature 636, 151–161 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08098-1（IF=50.5）

案例3

使用病毒产品：AAV2/9-hSyn-Kir2.1-eGFP-WPRE-pA

鉴于创伤后应激障碍（PTSD）小鼠存在丘脑后内侧核（PoM）神经元异常激活的现象，研究人员探究了PoM过度激活与防御行为之间的因果关联。首先，双侧注射携带神经元特异性启动子hSyn调控的内向整流钾通道Kir2.1与增强型绿色荧光蛋白（eGFP）的AAV，以长期抑制PoM神经元活性。在小鼠接受PTSD造模应激前1周，病毒在PoM区域完成表达。病毒注射后第7天，研究人员通过全细胞膜片钳记录PoM神经元电生理活动：经Kir通道特异性抑制剂ML133验证，Kir2.1过表达组的功能性Kir电流显著增强；同时检测神经元动作电位发放，结果显示，在相同刺激强度下，Kir2.1过表达组神经元放电次数较eGFP对照组显著减少，证实Kir2.1可有效抑制PoM神经元活性。

PTSD造模两周后，对小鼠施加胡须刺激与环境威胁，以诱发先天性及习得性防御行为。结果显示，相较于PTSD模型eGFP对照组，PoM区域过表达Kir2.1的PTSD小鼠，对触觉刺激诱导的先天性防御行为显著减轻；表达eGFP的PTSD小鼠，在情境性条件恐惧（CFC）测试第2天、第7天，对环境刺激表现出过度的习得性防御反应；与之相反，表达Kir2.1的PTSD小鼠对环境刺激的习得性防御反应显著降低，防御反应水平可恢复至eGFP正常对照组水平。

图6.抑制PoM可改善PTSD小鼠的先天性及习得性防御行为

图7.过表达Kir2.1降低了PoM神经元的兴奋性

参考文献：

Xi K, Xiao H, Huang X, et al. Reversal of hyperactive higher-order thalamus attenuates defensiveness in a mouse model of PTSD. Sci Adv. 2023;9(5):eade5987. doi:10.1126/sciadv.ade5987（IF=14.957）

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