„Magneto“-Protein: Gentechnisch entwickelt, um Gehirn und Verhalten zu kontrollieren

Forscher in den Vereinigten Staaten haben eine neue Methode entwickelt, um die Gehirnschaltkreise, die mit komplexem Tierverhalten verbunden sind, zu kontrollieren, indem sie mit Gentechnik ein magnetisiertes Protein herstellen, das bestimmte Gruppen von Nervenzellen aus der Ferne aktiviert.

Zu verstehen, wie das Gehirn Verhalten erzeugt, ist eines der ultimativen Ziele der Neurowissenschaften – und eine ihrer schwierigsten Fragen. In den letzten Jahren haben Forscher eine Reihe von Methoden entwickelt, die es ihnen ermöglichen, bestimmte Gruppen von Neuronen aus der Ferne zu steuern und die Funktionsweise neuronaler Schaltkreise zu untersuchen.

Die mächtigste davon ist eine Methode namens Optogenetik, das es Forschern ermöglicht, Populationen verwandter Neuronen im Millisekunden-für-Millisekunden-Zeitraum mit Laserlichtpulsen ein- oder auszuschalten. Eine weitere kürzlich entwickelte Methode, genannt Chemogenetik, verwendet manipulierte Proteine, die durch Designer-Medikamente aktiviert werden und auf bestimmte Zelltypen ausgerichtet werden können.

Obwohl leistungsfähig, haben beide Methoden Nachteile. Die Optogenetik ist invasiv und erfordert das Einführen von Lichtwellenleitern, die die Lichtimpulse in das Gehirn liefern, und außerdem ist das Ausmaß, in dem das Licht das dichte Hirngewebe durchdringt, stark eingeschränkt. Chemogenetische Ansätze überwinden diese beiden Einschränkungen, induzieren jedoch typischerweise biochemische Reaktionen, die mehrere Sekunden brauchen, um Nervenzellen zu aktivieren.

Die neue Technik, entwickelt in Ali Güler's Labor an der University of Virginia in Charlottesville und beschrieben in einer Online-Vorabpublikation in der Zeitschrift Nature Neuroscience, ist nicht nur nicht-invasiv, sondern kann auch Neuronen schnell und reversibel aktivieren.

Mehrere frühere Studien haben gezeigt, dass Nervenzellproteine, die durch Hitze und mechanischen Druck aktiviert werden, gentechnisch so verändert werden können, dass sie zu empfindlich gegenüber Funkwellen und Magnetfelder, indem sie an ein eisenspeicherndes Protein namens Ferritin oder an anorganische paramagnetische Partikel gebunden werden. Diese Methoden stellen einen wichtigen Fortschritt dar – sie wurden z. B. bereits eingesetzt, um regulieren den Blutzuckerspiegel bei Mäusen – aber mehrere Komponenten beinhalten, die separat eingeführt werden müssen.

Die neue Technik baut auf dieser früheren Arbeit auf und basiert auf einem Protein namens TRPV4, das empfindlich auf beide Temperatur und Dehnungskräfte. Diese Reize öffnen seine zentrale Pore, wodurch elektrischer Strom durch die Zellmembran fließen kann; Dies ruft Nervenimpulse hervor, die in das Rückenmark und dann zum Gehirn wandern.

In vivo Manipulation des Zebrafischverhaltens mit Magneto. Zebrafischlarven zeigen ein Wickelverhalten in
Reaktion auf lokalisierte Magnetfelder. Von Wheeler et al (2016).

Güler und seine Kollegen argumentierten, dass magnetische Drehmoment- (oder Rotations-) Kräfte TRPV4 aktivieren könnten, indem sie seine zentrale Pore aufreißen, und so verwendeten sie Gentechnik, um das Protein mit der paramagnetischen Region von Ferritin zusammen mit kurzen DNA-Sequenzen, die den Zellen den Transport signalisieren, zu fusionieren Proteine ​​an die Nervenzellmembran und schleusen sie dort ein.

Als sie dieses genetische Konstrukt in menschliche embryonale Nierenzellen einführten, die in Petrischalen wuchsen, synthetisierten die Zellen das Protein „Magneto“ und fügten es in ihre Membran ein. Das Anlegen eines Magnetfelds aktivierte das manipulierte TRPV1-Protein, wie durch vorübergehende Erhöhungen der Calciumionenkonzentration in den Zellen nachgewiesen wurde, die mit einem Fluoreszenzmikroskop nachgewiesen wurden.

Als nächstes fügten die Forscher die Magneto-DNA-Sequenz in das Genom eines Virus ein, zusammen mit dem Gen, das für das grün fluoreszierende Protein kodiert, und regulatorischen DNA-Sequenzen, die dazu führen, dass das Konstrukt nur in bestimmten Neuronentypen exprimiert wird. Dann injizierten sie das Virus in die Gehirne von Mäusen, zielten auf den entorhinalen Kortex ab und sezierten die Gehirne der Tiere, um die Zellen zu identifizieren, die grüne Fluoreszenz aussendeten. Mit Mikroelektroden zeigten sie dann, dass das Anlegen eines Magnetfelds an die Hirnschnitte Magneto aktiviert, sodass die Zellen Nervenimpulse erzeugen.

Um festzustellen, ob Magneto verwendet werden kann, um die neuronale Aktivität in lebenden Tieren zu manipulieren, injizierten sie Magneto in Zebrafischlarven und zielten auf Neuronen in Rumpf und Schwanz ab, die normalerweise eine Fluchtreaktion steuern. Dann platzierten sie die Zebrafischlarven in einem speziell gebauten magnetisierten Aquarium und stellten fest, dass die Exposition gegenüber einem Magnetfeld ähnliche Aufrollmanöver wie bei der Fluchtreaktion auslöste. (An diesem Experiment waren insgesamt neun Zebrafischlarven beteiligt, und nachfolgende Analysen zeigten, dass jede Larve etwa 5 Neuronen enthielt, die Magneto exprimieren.)

Lesen Sie die ganze Geschichte hier…