"Magneto" Protein: Genetisk konstruert for å kontrollere hjerner og atferd

Forskere i USA har utviklet en ny metode for å kontrollere hjernekretsene assosiert med kompleks dyreoppførsel, ved hjelp av genteknologi for å lage et magnetisert protein som aktiverer bestemte grupper av nerveceller på avstand.

Å forstå hvordan hjernen genererer atferd er et av de endelige målene for nevrovitenskap - og et av de vanskeligste spørsmålene. De siste årene har forskere utviklet en rekke metoder som gjør det mulig for dem å fjernstyre bestemte grupper av nevroner og å undersøke virkningen av nevronkretsene.

Den kraftigste av disse er en metode som kalles optogenetics, som gjør det mulig for forskere å slå populasjoner av relaterte nevroner på eller av på en millisekund-for-millisekund-tidsskala med pulser av laserlys. En annen nylig utviklet metode, kalt kjemogenetikk, bruker konstruerte proteiner som aktiveres av designermedisiner og kan målrettes mot spesifikke celletyper.

Selv om begge disse metodene er kraftige, har de ulemper. Optogenetikk er invasiv, og krever innsetting av optiske fibre som leverer lyspulser inn i hjernen, og i tillegg er det sterkt begrenset i hvilken grad lyset trenger inn i det tette hjernevevet. Kjemogenetiske tilnærminger overvinner begge disse begrensningene, men induserer vanligvis biokjemiske reaksjoner som tar flere sekunder å aktivere nerveceller.

Den nye teknikken, utviklet i Ali Gulerlaboratorium ved University of Virginia i Charlottesville, og beskrevet i en forhåndspublikasjon på nettet i tidsskriftet Nature Neuroscience, er ikke bare ikke-invasiv, men kan også aktivere nevroner raskt og reversibelt.

Flere tidligere studier har vist at nervecelleproteiner som aktiveres av varme og mekanisk trykk kan genetisk konstrueres slik at de blir følsom for radiobølger og magnetiske felter, ved å feste dem til et jernlagrende protein kalt ferritin, eller til uorganiske paramagnetiske partikler. Disse metodene representerer et viktig fremskritt - de har for eksempel allerede vært vant til regulere blodsukkernivået hos mus - men involverer flere komponenter som må introduseres hver for seg.

Den nye teknikken bygger på dette tidligere arbeidet, og er basert på et protein som heter TRPV4 følsom for begge temperaturene og strekkrefter. Disse stimuli åpner sin sentrale pore, slik at elektrisk strøm kan strømme gjennom cellemembranen; dette fremkaller nervøse impulser som beveger seg inn i ryggmargen og deretter opp til hjernen.

In vivo manipulering av sebrafiskatferd ved bruk av Magneto. Sebrafisklarver viser spolingsadferd i
respons på lokaliserte magnetfelt. Fra Wheeler et al (2016).

Güler og hans kolleger resonnerte at magnetiske dreiemoment (eller roterende) krefter kan aktivere TRPV4 ved å rive opp den sentrale poren, og så brukte de genteknologi for å smelte proteinet til den paramagnetiske regionen av ferritin, sammen med korte DNA-sekvenser som signaliserer celler for å transportere proteiner til nervecellemembranen og setter dem inn i den.

Da de introduserte denne genetiske konstruksjonen i humane embryonale nyreceller som vokste i petriskåler, syntetiserte cellene 'Magneto' proteinet og satte det inn i membranen. Påføring av et magnetfelt aktiverte det konstruerte TRPV1-proteinet, som det fremgår av forbigående økninger i kalsiumionkonsentrasjonen i cellene, som ble påvist med et fluorescensmikroskop.

Deretter satte forskerne inn Magneto DNA-sekvensen i genomet til et virus, sammen med genet som koder for grønt fluorescerende protein, og regulatoriske DNA-sekvenser som får konstruksjonen til å bare uttrykkes i spesifiserte typer neuroner. Deretter injiserte de viruset i hjernen til mus, rettet mot entorhinal cortex, og dissekerte hjernen til dyrene for å identifisere cellene som sendte ut grønn fluorescens. Ved hjelp av mikroelektroder viste de deretter at påføring av magnetfelt på hjerneskivene aktiverte Magneto slik at cellene produserer nervøse impulser.

For å avgjøre om Magneto kan brukes til å manipulere nevronaktivitet hos levende dyr, injiserte de Magneto i sebrafisklarver, og målrettet mot nevroner i kofferten og halen som normalt styrer en fluktrespons. De plasserte deretter sebrafisklarvene i et spesialbygd magnetisert akvarium, og fant at eksponering for et magnetfelt induserte spiralmanøvrer som ligner de som oppstår under fluktresponsen. (Dette eksperimentet involverte totalt ni sebrafisklarver, og påfølgende analyser viste at hver larve inneholdt omtrent 5 nevroner som uttrykker Magneto.)

Les hele historien her ...