大脑由上百亿个神经元组成，是结构和功能最复杂的器官，要了解大脑的功能需要对特定类型细胞的基因表达、形态学、生理学以及单个神经元的连接图谱进行研究。其中一个技术难点在于，在体对单个神经元进行记录或操控的研究。目前比较前沿的技术就是在体单细胞膜片钳、用病毒和他莫西芬进行稀疏标记，或者用低效率重组酶来控制基因表达。但是这些方法都存在时空特异性差或者神经元类型不精确等的缺点。近日，美国Allen Brain研究所在Nature Methods上报道了一种全新的利用光诱导重组酶表达从而标记和控制单个特定类型神经元的方法：RecV。
图源：Designboom
RecV，其基本的技术原理是：将Cre、Dre、FlpO等特定位点DNA重组酶基因切成两段，分别接到光诱导变构的真菌蛋白Vivid（VVD）基因上，当有光照射时，真菌蛋白变构致使重组酶两个片段结合发挥其重组活性，诱导特定的功能蛋白或报告蛋白的表达（图一）。在细胞上的功能验证发现，光照5min即开始有报告基因的表达，并随着光照时间延长表达量增加。
图一：RecV技术原理
这个光诱导的RecV系统有着出色的光依赖特性，在没有光照的区域极少甚至没有非特异性重组（图二、图三）；它也可以兼容多个重组酶系统（Cre、Dre、Flp等合用）以及他莫西芬系统实现精确的特定神经元类型的标记和操控；不仅如此，这个系统可以广泛用于不同种属模式动物、不同的细胞种类，在斑马鱼中除了标记神经元，还可以标记肌肉、皮肤、心脏等细胞的发育（图四）。fMOST是fluorescence micro-optical sectioning tomography的缩写，是由我国华中科技大学武汉光电国家研究中心、海南大学校长的骆清铭院士团队发明的高速、高分辨率荧光显微光学切片断层成像技术，它能够同时对多个神经元的全脑投射进行清晰重构，为我们认识大脑拓宽了视野（图五）。除了能“看见”单个神经元，RecV系统还可以帮助我们“操控”单个神经元。利用双光子作为诱导光源，可以诱导单个神经元里功能蛋白的表达，而且由于双光子高能量造成的误差率也是可接受范围（目标神经元10μm范围内非特异性表达率18%，10-15μm内6-7%），当然随着光学技术的进步，我们也期待能开发出能量更低、聚焦性更强的光源结合使用（图六）。双光子诱导的单个神经元蛋白表达还可以结合钙成像、光遗传、化学遗传等多种基因编辑技术，我们对大脑连接的认识可以从介观水平向微观水平迈进。RecV系统利用了光诱导的特性在时间上和空间上都让我们对神经元的结构和功能做到了精确，它应用上的技术兼容、跨物种的灵活性为探索大脑微观和宏观奥秘打开了新的大门！
参考文献：
Yao, S., Yuan, P., Ouellette, B. et al. RecV recombinase system for in vivo targeted optogenomic modifications of single cells or cell populations. Nat Methods 17, 422–429 (2020). https://doi.org/10.1038/s41592-020-0774-3编译作者： Charlotte（brainnews创作团队）
校审： Simon（brainnews编辑部）
欢迎加入超过 15000人的
全球最大的华人脑科学社群矩阵
本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请
点击举报。
