化學遺傳學-DREADDs

1、技術簡介

化學遺傳學是用遺傳學方法對一些生物大分子進行改造，使其能和先前無法識別的小分子進行相互作用，從而調控神經細胞的活動，例如DREADDs（designer receptors exclusively activated by designer drugs，只由特定藥物激活的受體）。

DREADDs是一種基于G蛋白偶聯受體所改造的化學遺傳學平臺，通過將不同的G蛋白偶聯受體進行改造，讓它能傳遞人工合成的蛋白質，修改后的受體只能由人工合成的特殊化合物來激活或者抑制，并激活相應的GPCR信號通路，從而引發細胞不同的興奮性變化。

維真生物化學遺傳學/DREADDS-不同DREADDS對應的細胞內信號通路

不同DREADDS對應的細胞內信號通路
（Deniz Atasoy and Scott M. Sternson..Physiol Rev. 2018）

其中，由氯氮平N氧化物（clozapine-N-oxide，CNO）激活的DREADDs，能選擇性地作用于不同的GPCR級聯反應，包括激活Gq、Gi、Gs、Golf和β-arrestin，其中Gq-DREADD和Gi-DREADD應用較為廣泛。

在正常生理條件下，人毒蕈堿型乙酰膽堿受體亞型M3（hM3）能與內源性神經遞質乙酰膽堿（Ach）結合，然后與Gq類的G蛋白偶聯受體耦合，參與Gq類信號通路。人毒蕈堿型乙酰膽堿受體亞型M4（hM4）與乙酰膽堿（Ach）結合后與Gi類的G蛋白偶聯受體耦合發揮作用，參與Gi類信號通路。

維真生物-DREADDS-hM3Dq ,和,hM4Di,的,DREADD結構,和,G蛋白耦聯特性

hM3Dq 和hM4Di 的DREADD結構和G蛋白耦聯特性
（Jürgen Wess et al, Trends Pharmacol Sci.2013）

然而，當將hM3與hM4上的兩個保守位點A5.46G和Y3.33C突變后（上圖中紅色叉號表示），兩者均不再與乙酰膽堿結合，而是能與外源添加的CNO高效結合。在CNO刺激下，HM3Dq起到激發神經元的作用，hM4Di則導致神經元的抑制。我們把突變之后的受體稱之為hM3Dq和hM4Di。

2、DREADDs研究步驟

1、選定合適的DREADDs受體
2、通過轉基因動物或病毒載體，將DREADD基因導入動物體內；
3、動物CNO給藥（控制時間或劑量）；
4、DREADDs受體的有效性的檢測和動物表型檢測；

維真生物-DREADDs受體

(Jingwei Jiang,et al. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2017)

3、DREADDs技術應用

DREADDs技術為神經科學家提供了強大的新工具，用于繪制大量中樞神經系統（CNS）功能背后的神經元回路. 利用DREADDs技術，通過時間和空間控制的方式打開或關閉特定的神經元，例如，記憶形成、食物攝入調節和覺醒等。

4、DREADDs技術策略

DREADD基因靶向常見的兩種策略為病毒注射和轉基因動物模型。目前已開發出攜帶DREADD轉基因的重組AAV載體，通過添加細胞特異性啟動子，配合立體定位注射的方法，實現DREADD基因在不同組織細胞內的精準表達，利用CRE、FLP等技術，進一步實現基因的條件可控性表達，如當您有CRE的轉基因動物時，可直接利用攜帶DREADD轉基因的DIO載體。此外，科研工作者還可利用一些特殊的AAV血清型，實現病毒的逆向或跨神經突觸的感染。