【新品推荐】告别DREADDs固有局限｜Science同源PSAM系列化学遗传AAV上线

目前科研领域应用最广泛的化学遗传工具为DREADDs，但该体系存在难以规避的实验干扰与应用局限：

1.配体CNO进入动物体内会代谢生成氯氮平，该物质可广谱结合多种内源受体，极易干扰行为学实验结果；

2.氯氮平存在行为抑制、粒细胞缺乏等毒副作用，限制转化方向动物实验开展；

3.依赖G蛋白偶联受体（GPCR）间接调控神经元电活动，操控效果波动大，往往需要高过表达载体才能达到预期实验效果。

基于以上痛点，研究者放弃了对GPCR路径的继续修补，转而选择了一条截然不同的技术路线——基于Cys-loop受体超家族的模块化离子通道工程策略。这一选择的底层逻辑是：如果需要“直接且可靠”地操控细胞电活动，那么最直接的途径就是改造配体门控离子通道（LGICs）本身。

2011年，Science 杂志刊登了霍华德・休斯医学研究所（HHMI）Scott M. Sternson教授团队的工作，他们设计开发了PSAM/PSEM系统，其中PSAM元件是经过改造的α7 YAN 碱乙酰胆碱受体(α7 nAChR)的配体结合域（LBD），PSAM可以与不同的离子通道结构域(IPDs)结合，PSEM是与PSAM结合的效应分子。借助该系统，化学小分子PSEM可以直接控制离子通道的开放或闭合，达到操控神经元活动的目的。

图1.PSAM/PSEM系统模式图

皮层神经元全细胞膜片钳记录结果验证工具可逆调控能力：

激活型PSAM^{Q79G,Q139G-5HT3 HC}：施加对应PSEM后神经元稳定去极化，持续产生动作电位；

抑制型PSAM^{L141F,Y115F-GlyR}：L141F突变特异性适配PSEM^89S，叠加Y115F可进一步削弱内源ACh激活效应。给予PSEM^89S后细胞膜输入电阻显著降低，诱发动作电位的刺激阈值大幅提升，洗脱配体后细胞兴奋性完全恢复；脑片记录曲线直观展现给药、洗脱全过程神经元电活动变化。

图2.PSAM-IPD嵌合离子通道：用于神经元激活与抑制

研究人员在Agrp-Cre小鼠下丘脑AGRP（刺鼠相关蛋白）神经元中，共表达光遗传激活工具ChR2与抑制型PSAM^{L141F,Y115F-GlyR}。该实验是检验抑制工具的黄金范式：光刺激可强效激活AGRP神经元，驱动小鼠大量摄食；只有近乎完全阻断该类神经元的电活动，才能削弱摄食行为，对神经元沉默能力提出极高要求。

实验结果

1.腹腔注射生理盐水后，光刺激均可稳定诱发摄食，作为各组基线；

2.注射PSEM^89S后，共表达载体小鼠的光诱导进食行为被显著抑制，仅表达ChR2的对照组无明显变化；

3.间隔24小时复测，小鼠摄食水平恢复基线，证明调控效果可逆、体内耐受度良好。

4.神经元激活标记Fos的免疫荧光结果显示，PSEM^89S处理几乎完全消除光刺激诱导的Fos表达，从分子层面直接佐证神经元活动被有效抑制。

图3.PSAM^{L141F,Y115F-GlyR}强效抑制AGRP神经元激活诱发的进食行为

图4.Fos免疫染色验证PSEM^89S对光激活AGRP神经元的抑制作用

2019年，Science杂志再次发表了Sternson教授团队的研究工作，他们对PSAM/PSEM系统进行改造。首先，经过药物筛选，从44种FDA批准药物中筛选出最具活性、选择性、易跨血脑屏障且副作用小的伐尼克兰（Varenicline，FDA认可的用于戒烟的非尼古/丁药物）作为分子骨架。随后，通过改变氨基酸组成，他们找到了Varenicline选择性最好、药效最高的PSAM元件，命名为PSAM⁴。同时，该团队进一步改造了PSEM，找到了四种强效的新型化学分子(uPSEM)，使其成为一个强大的化学遗传学工具。

他们借助AAV病毒载体及胚胎电转技术在体内外对PSAM⁴-GlyR及PSAM⁴-5HT3进行验证，发现当Varenicline与PSAM⁴-GlyR结合时，可以有效地抑制神经元的活性，而与PSAM⁴-5HT3结合时，则能加强神经元的兴奋性。

图5.PSAM⁴-GlyR及PSAM⁴-5HT3的体外验证

图6.小鼠和恒河猴脑内注射AAV-PSAM⁴-GlyR抑制神经元活性

总的来说，PSAM⁴系统具有药物研究和潜在的临床应用价值，为未来研发安全、高效的神经功能紊乱治疗药物带来了希望。

 

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