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化学遗传学是指：对一些生物大分子实行改造，使其能和先前无法识别的小分子进行相互作用的过程。化学遗传学和分子遗传学一样，均是遗传学的一个分支，由于其可控的、可逆的（可以随时加入或除去化合物，从而启动或中断特定的反应）特性，已经在信号转导、药物开发、功能基因组学等方面的研究中得到了广泛的应用。

目前已改造的生物大分子包括核酸杂交、蛋白质激酶、各种代谢酶和G蛋白耦联受体（G protein–coupled receptors，GPCRs）。现在有很多基于GPCRs改造的化学遗传学平台，例如基因编码受体的等位基因特异激活（allele-specific activation of genetically encoded receptors）、只能被合成配体激活的受体（receptors activated solely by synthetic ligands, RASSLs）、基因工程改造的受体（engineered receptors）和只由特定药物激活的受体（designer receptors exclusively activated by designer drugs，DREADDs）。其中，DREADDs已成为应用最广泛的化学遗传学技术，本文也将主要讨论DREADDs技术。

DREADDS技术

现在有很多由叠氮平-N-氧化物（clozapine-N-oxide，CNO）激活的DREADDs，他们会选择性地作用于不同的GPCR级联反应，包括激活Gq、Gi、Gs、Golf和β-arrestin，其中应用最广泛的是Gq-DREADD和Gi-DREADD。

1.  Gq-DREADD和hM3Dq

最初的Gq-DREADD即hM3Dq改造自人毒蕈碱型乙酰胆碱受体（the human muscarinic acetylcholine receptor，mAchRs）亚型M3（也称为hM3）。在正常生理状况下，hM3和乙酰胆碱结合，然后和Gq类G蛋白耦合受体耦合，作用于磷脂酶C、肌醇三磷酸和胞内钙离子这一信号通路（如图1）。令人吃惊地是，只要将Y3.33C和A5.46这两个位点突变，就能使hM3受体不能和乙酰胆碱耦合，但是会和纳摩尔浓度级别的CNO结合，这种突变后的hM3受体被命名为hM3Dq (human M3 muscarinic DREADD receptor coupled to Gq)。由于Y3.33和A5.46在不同的人毒蕈碱型乙酰胆碱受体亚型中是保守的，M1和M5也已经被成功改造为Gq-DREADD（hM1Dq和hM5Dq）。但是到目前为止，hM3Dq仍然是应用最多的Gq-DREADD。在不同的细胞类型中，CNO诱导hM3Dq的结果是不一样的，比如：

1)  在成熟神经元中，CNO诱导hM3Dq的结果是将神经元去极化（depolarization），加强神经元的兴奋性，这也是hM3Dq最常用的功能，即促使神经元的放电活动；

2)  在星形胶质细胞中，有人报道CNO诱导hM3Dq的结果是增加星形胶质细胞Ca+的释放，从而改变自主神经系统的生理条件；

3)  在神经系统以外，也有一些研究，例如在胰腺Β细胞表达hM3Dq，急性CNO处理会促进胰岛素的释放，而慢性CNO处理导致Β细胞数目增加；在肝细胞中，激活hM3Dq会增加血糖水平，也许是因为糖原分解和糖异生作用增加。

图1. hM3和乙酰胆碱结合，作为信号分子激活Gq耦联的GPCRs信号通路

2.  Gi-DREADD和hM4Di

Y3.33和A5.46在不同的人毒蕈碱型乙酰胆碱受体亚型中是保守的，因此科学家同样可以突变M2和M4 mAchRs上的Y3.33、A5.46位点，产生Gi- DREADDs，命名为hM2Di和hM4Di，他们可以激活Gi调节的信号通路（如图2）。因为Gi耦合的GPCRs可以激活G蛋白内向整流钾通道（内向整流钾离子通道，GIRK），所以hM2Di和hM4Di可以抑制神经元的放电活动，其中使用最多的Gi-DREADD是hM4Di。也有研究表明，hM4Di可以抑制神经递质的释放，从而达到抑制神经元活动的效果。

图2. hM4和乙酰胆碱结合，作为信号分子激活Gi耦联的GPCRs信号通路

DREADDs技术的研究步骤

DREADDs技术的应用主要包括以下几个关键步骤（如图3）：

1.  根据实验目的，确定合适的DREADDs受体：一般来说，如果是想激活神经元，则选择hM3Dq，如果是想抑制神经元的活性，则选择hM4Di；

2.  将遗传信息导入到动物体内：一般通过病毒注射或者转基因动物的方式将遗传信息传递给靶细胞；

图3. DREADDs实验基本步骤

3.  可控性演示：即通过控制CNO的给药时间，实现对细胞神经元活动的控制；

4.  实验方法的有效性验证：一般采用电极记录神经元细胞膜内外电压变化，以此来验证DREADDs受体的有效性；

5.  表型检测：通过实验确认激活或者抑制神经元活动给实验动物带来的影响。

DREADDs技术的优缺点

作为两种最常见的控制神经元活动的技术，optogenetics（光遗传学）和DREADDs技术之间各有优缺点，下面我们就以光遗传学为参照对象，谈谈DREADDs技术的优缺点。

1.  DREADDs技术的优点主要有：

1）  实验要求较低：如果要使用光遗传技术，需要准备很多配件，例如光纤、激光控制器和导管等等，而DREADDs只需用注射或者喂食CNO即可；

2）  操作较简单：也正是因为光遗传需要很多配件，而DREADDs不需要，所以在实验操作的过程中，DREADDs相对来说比较简单；

3）  较长时间的处理：对于光遗传来说，由于激光产热等机械限制，长时间处理几乎不可能实现，而持续CNO给药已经证明是可行的。

2.  DREADDs技术的缺点主要有以下两点：

1）  操作神经元活动的时间精确度不高：由于optogenetics可以通过控制激光使时间精准度到毫秒级别，而DREADDs通过CNO连分钟级别的精度程度都很难达到，而且CNO作用在神经元上之后一般需要2小时才能从膜上清除，所以说DREADD操作神经元活动的时间精确度不高；

2）  刺激的强度无法掌控：虽然研究人员可以增加或者减少CNO的给药量，但是用DREADDs还是不可能控制给神经元刺激的量，而且也不能随时增强或者减弱刺激，但是光遗传通过控制激光，可以精准地、随时地调节给神经元刺激的强度，这对于某些刺激强度依赖的神经环路研究有不可替代的优势；

结语

至少到目前为止，DREADDs最主要的应用还是在神经科学研究方面，他们被广泛用于以细胞特异性、无创地增强或抑制神经元的活动。虽然DREADD缺乏像光遗传学那样精准的时间控制能力，但是由于在进行疾病治疗时，最有可能需要的是长期神经元环路调节，而DREADDs会非常适合这类应用。此外，许多FDA批准药物的目标作用目标是GPCRs，而DREADDs是改造过的GPCRs，因此DREADDs可能会在药物开发方面提供丰富的可能性。