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產品中心 >專題系列 >光遺傳學
光遺傳學
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簡介

光遺傳學(optogenetics)是指“光刺激基因工程”(optical stimulation plus genetic engineering),它將微生物學、現代遺傳(基因)學、神經科學、生物工程科學等各項技術結合起來,實現了對特殊細胞活性的定向控制。

基本原理

當神經元處于靜息狀態時,細胞膜兩邊存在著電位差,這就是靜息電位。靜息電位的產生是由于膜內外各種離子的分布不均衡,以及細胞膜在不同情況下,對各種離子的通透性不同造成的。在靜息狀態下,細胞膜對K+有較高的通透性,且膜內K+又高于膜外,K+順著濃度差向膜外擴散;細胞膜對陰離子(A-)無通透性,膜內大分子A-被阻止在膜的內側,從而形成膜內為負、膜外為正的電位差,這種電位差產生后,可阻止K+進一步向外擴散,使膜內外電位差達到一個穩定的數值,即靜息膜電位(resting membrane potential)。當神經元受到刺激而興奮時,在靜息電位的基礎上,發生一次擴布性的電位變化,稱為動作電位(action potential)。動作電位是一個連續的膜電位變化過程,細胞膜受刺激而興奮時,膜上Na+通道迅速開放,由于膜外Na+濃度高于膜內,電位比膜內正,所以,Na+順濃度差和電位差內流,使膜內的負電位迅速消失,并進而轉為正電位。這種膜內為正、膜外為負的電位梯度,阻止Na+繼續內流。當促使Na+內流的濃度梯度與阻止Na+內流的電位梯度相等時,Na+內流停止,即達到了動作電位的峰值。因此,動作電位的產生和Na+內流息息相關。

首先,給神經元轉入膜通道蛋白,如ChR2NpHR。對于ChR2來說,當有473nm的藍色激光照射時,這些通道蛋白的通道打開,允許陽離子(如Na+)大量內流,產生動作電位,即讓神經元處于興奮狀態。對于NpHR來說,當有580nm的黃色激光照射時,這些通道蛋白的通道打開,允許Cl-通過,使神經元一直處于靜息電位,即讓神經元保持靜息狀態。


光遺傳的發展前景

光遺傳技術具有獨特的高時空分辨率和細胞類型特異性兩大特點,克服了傳統手段控制細胞或有機體活動的許多缺點,能對神經元進行非侵入式的精準定位刺激操作而徹底改變了神經科學領域的研究狀況,為神經科學提供了革命性的研究手段。光遺傳技術在將來還有可能發展出一系列針對中樞神經系統疾病的新療法。

光遺傳學的研究步驟

光遺傳學技術的應用主要包括以下 5 個關鍵步驟:

①    首先需要尋找合適的光敏蛋白,這類蛋白質具有天然的光敏性,或經過修飾后具有的光敏性。

②    其次需要將遺傳信息傳遞,即通過病毒轉導、轉染、轉基因動物等方式將光敏蛋白的遺傳信息傳遞給靶細胞。

③    然后是可控性演示,即通過時間和空間控制演示光線的特定性,實現對細胞活動的精確演示。

④    再次是讀取研究結果,即采用電極檢測細胞膜內外電壓變化,以此來驗證光敏蛋白的有效性,并可用熒光性生物傳感器來檢測不同細胞的讀出值。

⑤    最后通過行為測試來評估細胞活動對動物行為整個動物的影響。



光遺傳學從2005年到2015年,走過了飛速發展的十年,這一項整合了光學、軟件控制、基因操作技術、電生理等多學科交叉的生物工程技術伴隨著方法與技術不斷的發展與完善,正在獲得科學界的廣泛認可,吉滿生物在這個具有劃時代意義的時刻,推出AAV腺相關病毒光遺傳系列的全套技術服務和不斷更新的現貨病毒庫,來為研究這項技術的研究人員提供一個更快速便捷的產品平臺。在此引用Edward S Boyden所言,“10年對于科學來說并不算長,我們才剛剛開始。”


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貨號

名稱

規格

儲運條件

產品分類

制品分類

GM-8680AA9E3

AAV-CaMKII-GCaMP6f-P2A-nls-dTomato

50μl*1(1E13 VG/ml

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4886AA9E2-200

Paav-hSyn-hChR2(H134R)-mCherry

50μl*4(1E12 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4908AA8E2-200

GPAAV-CAG-FLEX-ArchT-EGFP

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4926AA8E2-200

GPAAV-CaMKIIa-DIO-ChETA-EYFP

50μl*4(1E12 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4904AA8E2-200

GPAAV-hSyn-eNpHR 3.0-EYFP-WPRE

50μl*4(1E12 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4903AA2E2-200

GPAAV-CaMKIIa-hChR2(E123A)-mCherry

50μl*4(1E12 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4888AA8E2-200

GPAAV-CaMKIIa-hChR2(H134R)-mCherry

50μl*4(1E12 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4882AA9E2-200

pAAV-FLEX-ArchT-tdTomato-WPRE

50μl*4(1E12 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4909AA8E2-200

GPAAV-CAG-ArchT-GFP-WPRE

50μl*4(1E12 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4904AA9E2-200

GPAAV-hSyn-eNpHR 3.0-EYFP

50μl*4(1E12 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4888AA9E2-200

GPAAV-CaMKIIa-hChR2(H134R)-mCherry

50μl*4(1E12 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-7299AA8E2-200

AAV-Flex-rev-oChIEF-tdTomato

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-7307AA8E2-200

pAAV-GFAP-hChR2(H134R)-EYFP

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-7308AA8E2-200

pAAV-EF1a-double floxed-hChR2(H134R)-EYFP-WPRE-HGHpA

50μl*4(1E12 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4909AA9E2-200

GPAAV-CAG-ArchT-GFP-WPRE

50μl*4(1E12 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-7308AA9E2-200

pAAV-EF1a-double floxed-hChR2(H134R)-EYFP-WPRE-HGHpA

50μl*4(1E12 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4917AA8E2-200

GPAAV-Ef1a-DIO-hChR2(H134R)-mCherry

50μl*4(1E12 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4912AA8E2-200

GPAAV-CamKIIa-ArchT-EGFP-WPRE

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9756AA8E3-200

AAV-hSyn-oChIEF-EGFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9760AA8E3-200

AAV-mCaMKIIa-oChIEF-P2A-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9758AA8E3-200

AAV-hSyn-oChIEF-mCitrine

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9761AA8E3-200

AAV-mCaMKIIa-oChIEF-P2A-EGFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9757AA8E3-200

AAV-hSyn-oChIEF-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9711AA9E3-200

GPAAV-CaMKIIa-C1V1(t/t)-TS-EYFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4919AA8E3-200

GPAAV-Ef1a-DIO-hChR2(H134R)-EYFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4900AA8E3-200

GPAAV-hSyn-hChR2(H134R)-EYFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4884AA8E3-200

AAV-CaMKIIa-hChR2(H134R)-IRFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9759AA8E3-200

AAV-hSyn-oChIEF-tdTomato

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-7293AA8E3-200

pAAV-Syn-Chronos-GFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9724AA8E3-200

AAV-hSyn-hChR2(H134R)-tdTomato

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9715AA8E3-200

AAV-EF1a-DIO-C1V1(t/t)-TS-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9755AA8E3-200

AAV-hSyn-DIO C1C2-TS-EYFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9754AA8E3-200

AAV-mCaMKIIa-C1C2-TS-EGFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9716AA8E3-200

AAV-EF1a-DIO-C1V1(t/t)-TS-EYFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9747AA8E3-200

AAV-mCaMKIIa-hChR2(E123T/T159C)-EYFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9723AA8E3-200

AAV-hSyn-hChR2(H134R)-EGFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4883AA9E3-200

AAV-CaMKIIa-C1V1(t/t)-TS-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9746AA8E3-200

AAV-CAG(CAGGSA)-hChR2-EGFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9725AA8E3-200

AAV-CaMKIIa-hChR2(H134R)-EGFP

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9745AA8E3-200

AAV-hEF1a-DIO-hChR2(H134R)-EYFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9726AA8E3-200

AAV-CMV_bGI-hChR2(H134R)-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-7294AA8E3-200

pAAV CaMKIIa iChloC 2A tDimer

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9750AA8E3-200

AAV-hSyn-eArch 3.0-P2A-EGFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4879AA8E3-200

AAV-Ef1a-DIO ChETA-EYFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9744AA8E3-200

AAV-hEF1a-DIO-hChR2(H134R)-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9748AA8E3-200

AAV-CAG-FLEX-ArchT-EYFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9749AA8E3-200

AAV-hSyn-DIO-eArch 3.0-P2A-EGFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9762AA8E3-200

AAV-mCaMKIIa-oChIEF-P2A-mCitrine

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9751AA8E3-200

AAV-mCaMKIIa-eArch 3.0-P2A-EGFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9752AA8E3-200

AAV-CAG(CAGGSA)-ArchT-EYFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9753AA8E3-200

AAV-CAG(CAGGSA)-ArchT-tdTomato

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9767AA8E3-200

AAV-CAG-FLEX-ArchT-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4860AA8E3-200

GPAAV-CaMKIIa-hChR2-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4905AA8E3-200

GPAAV-CaMKIIa-eNpHR 3.0-EYFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9763AA8E3-200

AAV-CAG-FLEX-oChIEF-tdTomato

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4903AA9E3-200

GPAAV-CaMKIIa-hChR2(E123A)-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4911AA8E3-200

GPAAV-CaMKIIa-ChR2-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4911AA9E3-200

GPAAV-CaMKIIa-ChR2-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4916AA8E3-200

GPAAV-Ef1a-DIO-hChR2(E123A)-EYFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-7304AA8E3-200

pAAV-CaMKIIa-eArch 3.0-EYFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-7310AA9E3-200

AAV-phSyn1(S)-FLEX-tdTomato-T2A-SypEGFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-7313AA8E3-200

GPAAV-CAG-hChR2(H134R)-tdTomato

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-7315AA8E3-200

GPAAV-GFAP-ArchT-EGFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-7317AA9E3-200

GPAAV-hSyn-eArch 3.0-EYFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4899AA8E3-200

GPAAV-CaMKIIa-hChR2(H134R)-EYFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9779AA8E3-200

AAV-hEF1a-DIO eNpHR3.0-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9764AA8E3-200

AAV-hEF1a-DIO oChIEF-EGFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9765AA8E3-200

AAV-hEF1a-DIO-oChIEF-mCitrine

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9766AA8E3-200

AAV-hEF1a-DIO-oChIEF-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9768AA8E3-200

AAV-mCaMKIIa-oChIEF-mCitrine

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9769AA8E3-200

AAV-mCaMKIIa-oChIEF-EGFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9770AA8E3-200

AAV-mCaMKIIa-oChIEF-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9772AA8E3-200

AAV-CaMKIIa-hChR2(T159C)-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9773AA8E3-200

AAV-hSyn-hChR2(T159C)-tdTomato

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9776AA8E3-200

AAV-hSyn-eNpHR3.0-EGFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9778AA8E3-200

AAV-mCaMKIIa-eNpHR3.0-mCherry

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9777AA8E3-200

AAV-mCaMKIIa-eNpHR3.0-EGFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-9780AA8E3-200

AAV-hEF1a-DIO eNpHR3.0-EGFP

50μl*4(1E13 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4885AA9E52-200

Paav-CaMKIIa-hChR2(E123A)-EYFP

50μl*4(5E12 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-7309AA9E52-200

pAAV-CaMKIIa-hChR2(E123T/T159C)-mCherry

50μl*4(5E12 VG/ml)

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光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4904AA8E52-200

GPAAV-hSyn-eNpHR 3.0-EYFP

50μl*4(5E12 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒

GM-4880AA8E52-200

pAAV-Ef1a-DIO-eNpHR 3.0-EYFP

50μl*4(5E12 VG/ml)

-80

光遺傳蛋白

腺相關病毒顆粒






















































































元件注釋:

啟動子類元件:

1.      CAG:廣泛的通用啟動子

2.      CMV:針對哺乳動物優化的通用啟動子

3.      EF1a : 廣泛的通用啟動子

4.      SYN:神經元細胞特異性啟動子

5.      CaMKII:海馬體特異性神經元細胞特異啟動子

6.      GFAP:星形膠質細胞特異啟動子

幾種激活神經元的通道蛋白

1.      ChR2:野生型ChR2,是一種在單細胞藍藻中存在的感光蛋白,其在細胞膜上形成陽離子通道。當表達ChR2的細胞受到藍光照射時,通道開放,導致細胞去極化。



2.      ChR2(H134R):ChR2的突變體,將第134個氨基酸由組胺酸突變為精胺酸,該蛋白質可以產生兩倍的光電流,但通道開關速度也比野生的ChR2慢了一倍。

3.      ChR2(E123A) : 4 ms快速的通道開關速度;

4.      ChR2(E123T/T159C): ChR2的突變體,更大的光電流和更快的動力學變化。

5.      ChETA:ChR2(E123T/H134R)突變體,使得神經元在激光刺激下可以發放200Hzspike,而其他的ChR2 通道蛋白只能達到40Hz

6.      C1V1:由ChR1及由團藻發現的VChR1組合在一起的通道蛋白,在紅色激光刺激下打開通道。

幾種抑制神經元活動的通道蛋白

1.      NpHR:即為Halorhodopsin,第一個被發現的有效抑制神經元活動的光遺傳學工具,會在黃綠激光照射下會將氯離子打進神經元內,而抑制神經元活動。但NpHR在哺乳動物腦內表達時,會聚集在內質網上表達,不能在神經元細胞膜上的高量聚集。



2.      eNpHR2.0:將內質網輸出元件加在NpHR基因序列后面,這樣可使得NpHR在胞內高量表達。

3.      eNpHR3.0:將一個高爾基體輸出元件和來自于鉀離子通道Kir2.1的上膜元件加在eNpHR2.0基因序列后面,實現了神經元細胞膜上的高量聚集,是NpHR系列中效果最好的。

4.      Arch:即為archaerhodopsin,是一種黃色激光激活的外向整流質子泵,能夠將帶正電的質子從神經元內移動到細胞外環境中,使神經元處于超極化狀態,從而保證神經元處于靜息狀態。在特定條件下,可用于增加細胞內pH或減少細胞外基質pH。和NpHR相比,當激光關閉的時候,Arch立即從通道打開狀態恢復到關閉狀態。




5.      Mac : 即為 Leptosphaeria maculans fungal opsins,藍色激光激活的質子泵,能夠將帶正電的質子從神經元內移動到細胞外環境中,使神經元保持超極化狀態,從而保證神經元處于靜息狀態,使用的較少。


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