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使用红移视黄醛类似物重构的微生物视紫红质中具有强pH依赖性的近红外荧光
摘要： 近红外（NIR）驱动的视紫红质在光遗传学及其他光生物技术发展中具有重要价值，如人工光合作用和深层组织电压成像。本研究报道了一种含近红外活性视黄醛类似物（PR:MMAR）的质子泵蛋白视紫红质（PR），其展现出量子产率达3.3%的强近红外荧光——该数值是天然PR的130倍（Lenz, M. O.等，《生物物理学报》2006, 91, 255?262），也是QuasAr和PROPS电压传感器（Kralj, J.等，《科学》2011, 333, 345?348；Hochbaum, D. R.等，《自然-方法》2014, 11, 825?833）的3?8倍。该近红外荧光在pH 6?8.5范围内呈现显著依赖性，提示MMAR结合蛋白可作为超灵敏的近红外驱动pH和/或电压传感器。飞秒瞬态吸收光谱显示：近红外激发下PR:MMAR具有异常长的310皮秒荧光寿命且无异构化光产物，与高荧光量子产率相符。受激拉曼分析表明，近红外吸收物种源于保守天冬氨酸的质子化——MMAR中额外的甲氨基促进了电荷离域和键长均一化，本质上形成了次级质子化席夫碱。这使得共轭主链上的键长变化显著减小，赋予C13═C14键更强的单键特性并引起生色团结构形变，从而阻碍光诱导异构化并延长荧光寿命。我们的研究从分子层面阐明了PR:MMAR中吸收/发射波长、异构化与荧光之间的关系。由于酸化作用增强了共振态，这解释了近红外发射的强pH依赖性。
关键词： 受激拉曼分析、荧光、电压传感器、视紫红质、光遗传学、人工光合作用、蛋白视紫红质、飞秒瞬态吸收光谱、pH传感器、近红外、电压成像
更新于2025-09-23 15:21:01
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LITESEC-T3SS - 利用光控技术实现高时空分辨率的真核细胞蛋白递送系统
摘要： 许多细菌利用III型分泌系统（T3SS）注射体将蛋白质转运至真核宿主细胞。尽管T3SS能高效输出异源货物蛋白，但缺乏靶细胞特异性目前限制了其在生物技术和医疗领域的应用。本研究利用T3SS的动态特性调控其活性：通过光遗传学相互作用开关控制胞质内动态T3SS组分SctQ的可及性，实现光控调节T3SS依赖的效应蛋白分泌。由此开发的LITESEC-T3SS系统（通过内源T3SS组分隔离实现效应蛋白光诱导转位），可在光照下实现T3SS活性的快速、特异且可逆启闭。我们证实该系统能光调控异源报告蛋白的转位，并诱导培养的真核细胞凋亡。LITESEC-T3SS为精准控制蛋白质向真核宿主细胞的分泌与转位提供了新方法，具有前所未有的时空分辨率。
关键词： 蛋白质转运、真核细胞、光遗传学、III型分泌系统、LITESEC-T3SS
更新于2025-09-23 15:21:01
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光遗传学诱导PVT-CeL环路长时程抑制可减弱恐惧记忆
摘要： 恐惧学习的失调和大脑网络活动异?？赡艿贾陆孤侵⒌姆⒉』啤＞」苡醒芯刻岢銮鹉允遗院耍≒VT）至外侧杏仁核中央核（CeL）通路活性降低可减弱习得性恐惧，但尚无研究证实体内直接光遗传学激活投射至CeL的PVT神经元对非条件性恐惧相关行为或习得性恐惧表达的影响。目前关于调控焦虑相关PVT-CeL通路神经元活动的机制研究较少。 本研究发现CeL神经元对PVT末梢的光遗传学刺激呈现差异化反应：约30%高兴奋性神经元、60%低兴奋性神经元及10%无反应神经元。通过自由活动小鼠的光遗传学干预与焦虑行为检测，我们观察到：精确时序的光遗传学激活投射至CeL的PVT神经元对高架十字迷宫和旷场测试中的非条件性恐惧行为无影响，但会增强习得性恐惧表达。而通过光遗传学长时程抑制（LTD）诱导处理接收PVT传入的CeL区域，则能有效持续减弱习得性恐惧。该LTD诱导使高兴奋性神经元比例下降，低兴奋性神经元比例上升。 综合结果表明：PVT-CeL通路活性增强可能导致过度习得性恐惧。其中对PVT传入光刺激反应强烈的CeL神经元可能是调控恐惧表达输出的关键神经元。本研究建立的光遗传学LTD方案为通过深部脑刺激诱导相关脑区可塑性来治疗焦虑症提供了新思路。
关键词： 光遗传学、长时程抑制、恐惧记忆、PVT-CeL神经环路
更新于2025-09-23 15:21:01
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光导调控：微管滑动实验的光遗传学控制
摘要： 分子马达产生的力驱动着诸如非对称细胞分裂和细胞迁移等生物过程。微管滑动实验（通过表面固定的马达蛋白驱动微管运动）被广泛用于研究基础马达特性及活性自组织系统的集体行为。此外，这类实验还可应用于纳米技术领域，如分析物检测、生物计算和机械传感。虽然此类实验能严格控制实验条件，但对力生成的时空控制仍不完善。本研究利用光诱导蛋白相互作用将分子马达招募至表面，从而体外调控微管滑动活性。结果表明：采用这种光诱导相互作用可使蛋白质按特定模式富集于表面，在光照6秒内实现约5倍的局部富集；当停止光照时，蛋白质释放的半衰期为13秒。我们进一步证实，光控驱动蛋白招募能可逆地激活沿表面的微管滑动，实现对局部微管运动的精准调控。这种局部力生成控制方法不仅能研究非均匀拉力对不同微管阵列的影响，还为纳米技术应用中的局部控制提供了新策略。
关键词： 马达蛋白、光遗传学、光学控制、微管
更新于2025-09-23 15:21:01
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利用SYN1和CaMKII启动子表达的通道视紫红质-2对二维和三维培养体系中iPS细胞来源神经元的光遗传学控制
摘要： 在三维（3D）环境中开发光遗传学可控的人类神经网络模型，可提供一个与生理相关或模拟人脑的研究系统。通过慢病毒和细胞类型特异性启动子，将通道视紫红质-2（ChR2）转导至人诱导多能干细胞（hiPSCs）来源的神经祖细胞（Axol），从而生成光敏神经元。经神经分化后，获得由人iPSCs来源的皮层神经元、星形胶质细胞和祖细胞组成的混合群体（Axol-ChR2）。利用泛神经元启动子突触蛋白-1（SYN1）和兴奋性神经元特异性启动子钙调蛋白激酶II（CaMKII）驱动报告基因表达，以评估靶细胞的分化状态。采用流式细胞术和免疫荧光染色评估分化后Axol-ChR2细胞中ChR2的表达及各亚群特征。将这些细胞从二维培养转移至经精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）和小分子（Y-27632）功能化的三维海藻酸盐水凝胶中。对改良的RGD-海藻酸盐水凝胶进行物理特性表征及细胞活性评估，以建立适用于hPSCs和神经细胞的通用3D培养体系。在细胞包封前，采用钙成像技术研究Axol-ChR2细胞和原代神经元的神经网络活动。结果表明，通过CaMKII和SYN1启动子表达ChR2均成功实现了功能性活动。该RGD-海藻酸盐水凝胶体系支持分化后Axol-ChR2细胞的生长，同时在光刺激下可检测到ChR2表达，从而实现对三维人类神经网络的精准无创调控。
关键词： 通道视紫红质-2（ChR2）、光遗传学、诱导多能干细胞（iPSC）、三维培养、钙调蛋白激酶II（CaMKII）、突触素-1（SYN1）、海藻酸盐水凝胶、神经组织工程
更新于2025-09-23 15:19:57
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通过将Jaws蛋白插入CA3神经元细胞后光抑制CA3区，实现对穿通通路点燃癫痫的光遗传学控制
摘要： 内侧颞叶癫痫（MTLE）是与海马三突触环路重塑相关的最常见且最耐药的癫痫类型之一。作为该环路"起搏器"的齿状回CA3区及CA3→CA1突触（穿通通路）是抑制MTLE的潜在靶点。我们研究了光遗传学调控CA3神经元对穿通通路点燃癫痫的控制作用。在穿通通路植入刺激电极、CA1区植入记录电极及CA3区植入光纤一周后，对大鼠进行快速点燃程序。将具有逆行单突触传递能力并能将红光敏感视蛋白Jaws基因插入神经元的慢病毒载体注入点燃大鼠的CA1区。一周后，在红光照射CA3区的条件下以后放电（AD）阈值刺激点燃大鼠，记录后放电持续时间（ADD）、全面性发作（S5D）及总癫痫行为（SD）。免疫组化验证了载体注射大鼠CA1、CA3及内嗅皮层神经元细胞中Jaws的表达。计数切片中超过90%的CA1、CA3和内嗅皮层神经元表达Jaws。对表达Jaws的点燃大鼠CA3区进行红光（625 nm）照射可完全抑制全面性发作，并显著减少ADD和SD。在CA3区编码光敏氯泵Jaws是一种有效控制穿通通路点燃癫痫的光遗传学策略。
关键词： 光遗传学、内嗅皮层、谢弗侧支、穿通通路点燃、CA3区、Jaws蛋白
更新于2025-09-23 15:19:57
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蓝斑核光遗传学光激活诱导大鼠齿状回穿通通路群体峰电位幅度的长期增强效应
摘要： 穿通通路诱发的群体峰电位在体内外均表现出去甲肾上腺素（NE）的长时程增强效应（NE-LTP）。向蓝斑核（LC，即齿状回NE的来源区）附近灌注化学激活剂可产生关联型NE-LTP——即需要与穿通通路（PP）输入同步配对。本研究探讨仅激活LC神经元的光遗传学刺激能否在齿状回诱导NE-LTP。我们采用含去极化通道的腺相关病毒载体（AAV8-Ef1a-DIO-eChR2(h134r)-EYFP-WPRE），通过立体定位法注入TH:Cre大鼠的LC区以构建光敏感LC神经元，观察到该通道在LC神经元中约有62%的共定位率。在乌拉坦麻醉状态下，证实LC区30毫秒光脉冲的5-10秒10赫兹串刺激能可靠激活光探针附近的LC神经元。当该刺激串与0.1赫兹PP电刺激配对10分钟时，可诱发群体峰电位幅度的延迟性NE-LTP（但EPSP斜率无变化），实验末期群体峰电位输入/输出曲线的左移也符合长时程群体峰电位增强特征。值得注意的是，10分钟光刺激期间LC神经元活动呈短暂性，仅在刺激前2分钟出现放电增加。相较于化学激活报道的结果，光遗传诱导的NE-LTP延迟更明显且强度较弱。根据既往LC轴突传导时间估算，NE的急性释放发生在LC神经元动作电位后40-70毫秒。通过单次LC光脉冲检测NE释放的急性效应发现：当LC光脉冲出现在PP脉冲前40-50毫秒（而非20-30毫秒）时可增强群体峰电位幅度，该结果与传导时间估算一致。这些光遗传激活LC的效应进一步证实了齿状回NE增强效应的连续性谱系，其单脉冲效应与既往LC电刺激研究相符，支持LC激活具有注意调控功能；而光遗传激活LC诱导的PP反应LTP则与其在长期学习记忆中的作用相吻合。
关键词： 去甲肾上腺素、穿通通路、短时程增强、齿状回、光遗传学、蓝斑核、长时程增强、海马体
更新于2025-09-22 18:26:18
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从蓝藻细菌视紫红质进化而来的最小近红外荧光蛋白，作为光谱多重标记的通用标签
摘要： 我们从一种蓝藻细菌视紫红质（CBCR）单一结构域出发，开发出近红外荧光蛋白（FP）miRFP670nano，其激发波长为645纳米，发射波长为670纳米。这是首个进化自CBCR、能高效结合内源性胆绿素发色团并在哺乳动物细胞中明亮荧光的近红外FP。miRFP670nano是分子量为17千道尔顿的单体蛋白，比基于细菌光敏色素（BphP）的近红外FP小两倍，比GFP类FP小1.6倍。该CBCR衍生近红外FP与胆绿素的晶体结构揭示了其光谱和生化特性的分子基础。与BphP衍生的近红外FP不同，miRFP670nano具有高度抗变性和降解稳定性，可作为内源蛋白标签使用。作为远红移近红外FP的有效FRET供体，它能构建与GFP类FP及蓝绿光遗传工具光谱兼容的近红外FRET生物传感器。miRFP670nano为近红外FP开辟了多样化的CBCR模板新来源。
关键词： 近红外荧光蛋白、光谱多路复用、蓝藻细菌视紫红质、FRET生物传感器、胆绿素、光遗传学
更新于2025-09-22 19:48:29
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通道视紫红质-2聚焦光激活的体内神经血管反应
摘要： 光遗传学在神经科学领域的应用之所以快速增长，主要得益于两大优势：通过基因操作实现高度特异性的细胞靶向；以及借助光刺激的时间调制对神经元活动进行精准的时序控制。但目前尚未有研究阐明最常用的两种刺激模式——弥散式（即同步式）与聚焦式（即异步式）刺激之间的差异。此外，由于我们对细胞和网络层面对光激活反应的认识尚不完整，光遗传学的潜力尚未得到充分发挥。本研究通过检测Thy1-ChR2小鼠在丘脑皮层投射区接受通道视紫红质聚焦/弥散光刺激时的神经元和脑血管反应，填补了这些认知空白。我们对比了470纳米光纤照明（弥散式）与458纳米光栅扫描（聚焦式）的刺激效果，通过颅内局部场电位（LFP）评估脑电生理活动，并采用双光子荧光显微镜测量皮质穿通血管中红细胞流速（vRBC）。结果显示：聚焦式光刺激产生的LFP反应幅度显著更大（约40%，p=0.05），脑血管反应强度达到弥散式的两倍（p=0.002）——具体表现为聚焦式LFP振幅1.64±0.84mV且vRBC提升75±48%，而弥散式LFP振幅1.14±0.75mV且vRBC提升35±23%。与弥散式刺激相比，聚焦式光刺激使脑血管反应产生率提高约65%（聚焦式73±10% vs 弥散式42±29%），并使脑血管反应的信噪比翻倍（聚焦式20.9±14.7 vs 弥散式10.4±1.4）。这些数据揭示了聚焦式光遗传学光激活的重要优势：该技术可便捷整合至单/双光子荧光显微镜平台，为评估神经元兴奋性和脑血管反应性提供新途径，从而为光遗传学在中枢神经系统疾病临床前模型中的广泛应用奠定基础。
关键词： Thy1-ChR2、神经血管耦合、光遗传学、双光子荧光显微镜
更新于2025-09-23 02:17:02
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近红外光通过上转换光遗传学纳米系统以时空精准度远程上调自噬
摘要： 通过生物安全的近红外（NIR）光无创调控生物功能的方法正日益受到关注。上转换稀土纳米材料作为新型光子元件，在这些应用中展现出巨大潜力，已被广泛应用于光遗传学领域。本文设计了一种能实现时空精准调控自噬的上转换光遗传学纳米系统：该生物相容性系统由两部分构成——用于导入的蓝光受体光遗传学-自噬上调质粒，以及封装柔性胶囊的上转换棒（可将组织穿透性NIR光转化为局部可见蓝光）。实验验证该系统能在体外（HeLa和293T细胞系）实现自噬上调，并在活体内远程穿透组织（约3.5毫米）。鉴于自噬在细胞内信号通路中的核心地位及其与多种病理的关联性，该方法有望建立基于上转换材料的自噬上调策略，应用于基础研究与临床实践。
关键词： 光遗传学、自噬、上转换材料、蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）、近红外光（NIR）
更新于2025-09-24 01:16:31