Optogjenetika

Optogjenetika është një teknikë biologjike për të kontrolluar aktivitetin e neuroneve ose llojeve të tjera të qelizave me dritë . Kjo arrihet me anë të shprehjes së kanaleve jonike, pompave ose enzimave të ndjeshme ndaj dritës, posaçërisht në qelizat e synuara. Në nivelin e qelizave individuale, enzimat e aktivizuara nga drita dhe faktorët e transkriptimit lejojnë kontroll të saktë të shtigjeve biokimike të sinjalizimit.  Në neuroshkencën e sistemeve, aftësia për të kontrolluar aktivitetin e një grupi të përcaktuar gjenetikisht të neuroneve është përdorur për të kuptuar kontributin e tyre në vendimmarrje,  të mësuarit,  kujtesën e frikës,  çiftëzimin,  varësinë,  të ushqyerit,  dhe lëvizjen.  Në një aplikim të parë mjekësor të teknologjisë optogjenetike, shikimi u rikthye pjesërisht në një pacient të verbër me retinit pigmentozë . 

 Hyrje 
Teknikat optogjenetike janë futur gjithashtu për të hartëzuar lidhshmërinë funksionale të trurit .   Duke ndryshuar aktivitetin e neuroneve të etiketuara gjenetikisht me dritë dhe duke përdorur teknika të imazherisë dhe elektrofiziologjisë për të regjistruar aktivitetin e qelizave të tjera, studiuesit mund të identifikojnë varësitë statistikore midis qelizave dhe rajoneve të trurit.  

Një element i rëndësishëm historik është se konceptet e para të optogjenetikës u zhvilluan në fillim të viteve 2000, kur shkencëtarë si Karl Deisseroth, Edward Boyden dhe kolegët e tyre kombinuan gjenetikën me përdorimin e proteinave të tipit opsine, të ndjeshme ndaj dritës, të izoluara nga algat dhe mikroorganizma të tjera. Ky hap solli mundësinë për të kontrolluar me saktësi kohore dhe hapësinore aktivitetin e neuroneve, duke hapur rrugën për një revolucion në neuroshkencë dhe mjekësi.

Në një kuptim më të gjerë, fusha e optogjenetikës përfshin gjithashtu metoda për të regjistruar aktivitetin qelizor me tregues të koduar gjenetikisht. Këta tregues, si proteinat fluorescente që ndryshojnë intensitetin e dritës në përgjigje të kalciumit ose potencialit elektrik, u japin studiuesve mundësinë të ndjekin në kohë reale mënyrën se si qelizat komunikojnë dhe përpunojnë informacion. Kjo ka hapur rrugë për të kuptuar më mirë proceset komplekse të trurit dhe për të lidhur aktivitetin qelizor me sjelljen e organizmit.

Në vitin 2010, optogjenetika u zgjodh si "Metoda e Vitit" në të gjitha fushat e shkencës dhe inxhinierisë nga revista kërkimore ndërdisiplinore Nature Methods. Primer on Optogenetics:  Editorial:   Commentary:  Në të njëjtin vit, një artikull mbi "Përparimet e Dekadës" në revistën kërkimore akademike Science nxori në pah optogjenetikën.   

 Historia 
Në vitin 1979, Francis Crick sugjeroi që kontrollimi i të gjitha qelizave të një lloji në tru, duke i lënë të tjerat pak a shumë të pandryshuara, është një sfidë e vërtetë për neuroshkencën. Crick spekuloi se një teknologji që përdor dritën mund të jetë e dobishme për të kontrolluar aktivitetin neuronal me saktësi kohore dhe hapësinore, por në atë kohë nuk kishte asnjë teknikë për t'i bërë neuronet të ndjeshme ndaj dritës.

Në fillim të viteve 1990, LC Katz dhe E Callaway kishin treguar se drita mund të çlironte glutamatin.  Heberle dhe Büldt në vitin 1994 kishin treguar tashmë shprehjen funksionale heterologe të një bakterierodopsine për rrjedhën e joneve të aktivizuara nga drita në maja. 

Në vitin 1995, Georg Nagel et al. dhe Ernst Bamberg provuan shprehjen heterologe të rodopsinave mikrobike (gjithashtu bakteriorhodopsina dhe gjithashtu në një sistem jo-nervore, oocitet Xenopus) (Georg Nagel et al., 1995, FEBS Lett.) dhe treguan rrymë të induktuar nga drita.

Metoda më e hershme e synuar gjenetikisht që përdori dritën për të kontrolluar neuronet e sensibilizuara ndaj rodopsinës u raportua në janar 2002, nga Boris Zemelman dhe Gero Miesenböck, të cilët përdorën neurone gjitarësh të kultivuara me rodopsinë Drosophila .  Në vitin 2003, Zemelman dhe Miesenböck zhvilluan një metodë të dytë për aktivizimin e neuroneve të varura nga drita, në të cilën kanalet e vetme jonotropike TRPV1, TRPM8 dhe P2X2 u mbyllën nga ligandë të fotokafazuar në përgjigje të dritës.  Duke filluar nga viti 2004, grupet Kramer dhe Isacoff zhvilluan fotoçelës organikë ose komponime "të mbyllura në mënyrë të kthyeshme" në bashkëpunim me grupin Trauner që mund të bashkëveprojnë me kanalet jonike të futura gjenetikisht.   Metodologjia TRPV1, megjithëse pa shkaktarin e ndriçimit, u përdor më pas nga disa laboratorë për të ndryshuar ushqyerjen, lëvizjen dhe rezistencën e sjelljes në kafshët laboratorike.    Megjithatë, qasjet e bazuara në dritë për ndryshimin e aktivitetit neuronal nuk u aplikuan jashtë laboratorëve origjinalë, ndoshta sepse kanalordopsina më e lehtë për t’u përdorur u klonua menjëherë pas kësaj. 

Peter Hegemann, duke studiuar reagimin ndaj dritës së algave të gjelbra në Universitetin e Regensburgut, kishte zbuluar fotorryma që ishin shumë të shpejta për t'u shpjeguar nga rodopsinat klasike shtazore të shoqëruara me proteinën g.  Duke bashkëpunuar me elektrofiziologun Georg Nagel në Institutin Max Planck në Frankfurt, ata mundën të demonstronin se një gjen i vetëm nga alga Chlamydomonas prodhonte fotorryma të mëdha kur shprehej në oocitin e një bretkose.  Për të identifikuar qelizat që shprehnin, ata zëvendësuan bishtin citoplazmatik të proteinës së algës me një proteinë fluoreshente YFP, duke gjeneruar mjetin e parë optogjenetik të zbatueshëm përgjithësisht.  Ata deklaruan në punimin e vitit 2003 se "shprehja e ChR2 në oocite ose qelizat e gjitarëve mund të përdoret si një mjet i fuqishëm për të rritur përqendrimin citoplazmatik të Ca2 + ose për të depolarizuar membranën qelizore, thjesht me anë të ndriçimit".

Karl Deisseroth në Departamentin e Bioinxhinierisë në Universitetin e Stanfordit publikoi faqet e fletores nga fillimi i korrikut 2004 të eksperimentit të tij fillestar që tregonte aktivizimin e dritës së neuroneve që shprehnin një kanalordopsinë.  Në gusht 2005, stafi i tij i laboratorit, përfshirë studentët e diplomuar Ed Boyden dhe Feng Zhang, në bashkëpunim me Georg Nagel, publikuan demonstrimin e parë të një sistemi optogjenetik me një përbërës të vetëm, në neurone  duke përdorur mutantin kanalordopsinë-2 (H134R)-eYFP nga Georg Nagel, i cili është mutanti i parë i kanalordopsinës-2 që nga karakterizimi i tij funksional nga Georg Nagel dhe Hegemann. 

Zhuo-Hua Pan i Universitetit Shtetëror Wayne, duke bërë kërkime mbi rikthimin e shikimit pas verbërisë, provoi kanalorhodsinën në qelizat ganglionale - neuronet në sytë e njeriut që lidhen drejtpërdrejt me trurin. Vëzhgimi i parë i Pan për aktivizimin optik të neuroneve të retinës me kanalorhodopsinë ishte në shkurt 2004 sipas Pan,  pesë muaj para vëzhgimit fillestar të Deisseroth në korrik 2004.  Në të vërtetë, neuronet e transfektuara u bënë elektrikisht aktive në përgjigje të dritës, dhe në vitin 2005 Zhuo-Hua Pan raportoi transfektim të suksesshëm in-vivo të kanalorhodopsinës në qelizat ganglionale të retinës së minjve, dhe përgjigje elektrike ndaj fotostimulimit në kulturën e prerjes së retinës.  Kjo qasje u realizua përfundimisht në një pacient njerëzor nga Botond Roska dhe bashkëpunëtorët në vitin 2021. 

Në prill të vitit 2005, Susana Lima dhe Miesenböck raportuan përdorimin e parë të fotostimulimit P2X2 të synuar gjenetikisht për të kontrolluar sjelljen e një kafshe.  Ata treguan se fotostimulimi i grupeve të neuroneve të kufizuara gjenetikisht, siç janë ato të sistemit dopaminergjik, shkaktoi ndryshime karakteristike të sjelljes tek mizat e frutave.

Në tetor 2005, Lynn Landmesser dhe Stefan Herlitze publikuan gjithashtu përdorimin e kanalrohodpsinës-2 për të kontrolluar aktivitetin neuronal në neuronet e kultivuara të hipokampusit dhe qarqet e palcës kurrizore të pulës në embrione në zhvillim të paprekura.  Përveç kësaj, ata prezantuan për herë të parë rodopsinën vertebrore, një receptor të shoqëruar me proteinën G të aktivizuar nga drita, si një mjet për të penguar aktivitetin neuronal nëpërmjet rekrutimit të shtigjeve sinjalizuese intraqelizore edhe në neuronet e hipokampusit dhe embrionin e pulës në zhvillim të paprekur. 

Grupet e Alexander Gottschalk dhe Georg Nagel krijuan mutantin e parë ChR2 (H134R) dhe ishin të parët që përdorën kanalordopsin-2 për të kontrolluar aktivitetin neuronal në një kafshë të paprekur, duke treguar se modelet motorike në krimbin e rrumbullakët C. elegans mund të evokoheshin nga stimulimi i dritës së qarqeve nervore të përzgjedhura gjenetikisht (botuar në dhjetor 2005).  Tek minjtë, shprehja e kontrolluar e mjeteve optogjenetike shpesh arrihet me metoda Cre/loxP specifike për llojin e qelizave të zhvilluara për neuroshkencën nga Joe Z. Tsien në vitet 1990  për të aktivizuar ose penguar rajone specifike të trurit dhe lloje qelizash in vivo . 

Në vitin 2007, laboratorët e Boyden dhe Deisseroth (së bashku me grupet e Gottschalk dhe Georg Nagel) raportuan njëkohësisht frenimin e suksesshëm optogjenetik të aktivitetit në neurone.  

Në vitin 2007, grupet e Georg Nagel dhe Hegemann filluan manipulimin optogjenetik të cAMP.  Në vitin 2014, Avelar et al. raportuan gjenin e parë të rodopsinës-guanilil ciklazës nga kërpudhat. Në vitin 2015, Scheib et al. dhe Gao et al. karakterizuan aktivitetin e gjenit të rodopsinës-guanilil ciklazës. Dhe Shiqiang Gao et al. dhe Georg Nagel, Alexander Gottschalk e identifikuan atë si rodopsinën e parë 8 TM. 

 Çmimet 
Ndikimi i fuqishëm i teknologjisë optogjenetike në kërkimin e trurit është njohur nga çmime të shumta për aktorët kryesorë në këtë fushë.

Në vitin 2010, Georg Nagel, Peter Hegemann dhe Ernst Bamberg u vlerësuan me Çmimin Wiley në Shkencat Biomjekësore  dhe ishin gjithashtu midis atyre që u vlerësuan me Çmimin Karl Heinz Beckurts në vitin 2010.  Në të njëjtin vit, Karl Deisseroth u vlerësua me Çmimin e parë HFSP Nakasone për "punën e tij pioniere në zhvillimin e metodave optogjenetike për studimin e funksionit të rrjeteve neuronale që qëndrojnë në themel të sjelljes". 

Në vitin 2012, Bamberg, Deisseroth, Hegemann dhe Georg Nagel u vlerësuan me Çmimin Zülch nga Shoqata Max Planck,  dhe Miesenböck u vlerësua me Çmimin Shëndetësor Baillet Latour për "krijimin e qasjeve optogjenetike për të manipuluar aktivitetin neuronal dhe për të kontrolluar sjelljen e kafshëve". 

Në vitin 2013, Georg Nagel dhe Hegemann ishin ndër ata që u vlerësuan me Çmimin Louis-Jeantet për Mjekësi .  Gjithashtu atë vit, Bamberg, Boyden, Deisseroth, Hegemann, Miesenböck dhe Georg Nagel u vlerësuan së bashku me Çmimin e Trurit për "shpikjen dhe përsosjen e tyre të optogjenetikës".  

Në vitin 2017, Deisseroth u vlerësua me Çmimin Kërkimor Else Kröner Fresenius për "zbulimet e tij në optogjenetikë dhe kiminë e indeve hidrogel, si dhe për kërkimin e tij mbi bazën e qarkut nervor të depresionit". 

Në vitin 2018, Fondacioni Inamori i dha Deisseroth Çmimin e Kiotos për "udhëheqjen e optogjenetikës" dhe "revolucionarizimin e kërkimit të neuroshkencës së sistemeve". 

Në vitin 2019, Bamberg, Boyden, Deisseroth, Hegemann, Miesenböck dhe Georg Nagel u vlerësuan me Çmimin Rumford nga Akademia Amerikane e Arteve dhe Shkencave në njohje të "kontributeve të tyre të jashtëzakonshme në lidhje me shpikjen dhe përsosjen e optogjenetikës". 

Në vitin 2020, Deisseroth u vlerësua me Çmimin Heineken për Mjekësi nga Akademia Mbretërore e Arteve dhe Shkencave e Holandës, për zhvillimin e optogjenetikës dhe kimisë së indeve hidrogel. 

Në vitin 2020, Miesenböck, Hegemann dhe Georg Nagel morën së bashku Çmimin Shaw në Shkencat e Jetës dhe Mjekësinë. 

Në vitin 2021, Hegemann, Deisseroth dhe Dieter Oesterhelt morën Çmimin Albert Lasker për Kërkime Bazë Mjekësore .

 Shih edhe 
 Optika
 Gjenetika
 Neurologjia
 Neuroshkenca

 Literatura 










 Referime 

Kategoria:Optikë
Kategoria:Kibernetikë
Kategoria:Neuroshkencë