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Canalrodopsina

Las canalrodopsinas son una subfamilia de proteínas de retinilideno ( rodopsinas ) que funcionan como canales iónicos controlados por luz . [1] Actúan como fotorreceptores sensoriales en algas verdes unicelulares , controlando la fototaxis : movimiento en respuesta a la luz. [2] Expresadas en células de otros organismos, permiten que la luz controle la excitabilidad eléctrica , la acidez intracelular , la afluencia de calcio y otros procesos celulares (véase optogenética ). La canalrodopsina-1 (ChR1) y la canalrodopsina-2 (ChR2) del organismo modelo Chlamydomonas reinhardtii son las primeras canalrodopsinas descubiertas. Se han clonado variantes que son sensibles a diferentes colores de luz o selectivas para iones específicos (ACR, KCR) de otras especies de algas y protistas .

Historia

La fototaxis y la fotoorientación de las microalgas se han estudiado durante más de cien años en muchos laboratorios de todo el mundo. En 1980, Ken Foster desarrolló la primera teoría consistente sobre la funcionalidad de los ojos de las algas. [3] También analizó los espectros de acción publicados y complementó las células ciegas con retinal y análogos de retinal, lo que llevó a la conclusión de que el fotorreceptor para las respuestas de motilidad en Chlorophyceae es la rodopsina . [4]

Las fotocorrientes de las clorofíceas Haematococcus pluvialis y Chlamydomonas reinhardtii fueron estudiadas durante muchos años en los grupos de Oleg Sineshchekov y Peter Hegemann . [5] [6] Basándose en la espectroscopia de acción y en registros simultáneos de fotocorrientes y de batido flagelar, se determinó que las corrientes de los fotorreceptores y los movimientos flagelares subsiguientes están mediados por la rodopsina y controlan la fototaxis y las respuestas fotofóbicas. El aumento extremadamente rápido de la corriente de los fotorreceptores después de un breve destello de luz condujo a la conclusión de que la rodopsina y el canal están íntimamente ligados en un complejo proteico, o incluso dentro de una sola proteína. [7] [8]

El nombre "canalrodopsina" fue acuñado para destacar esta propiedad inusual, y las secuencias fueron renombradas en consecuencia. Las secuencias de nucleótidos de las rodopsinas ahora llamadas canalrodopsinas ChR1 y ChR2 fueron finalmente descubiertas en un proyecto de secuenciación EST a gran escala en C. reinhardtii . La presentación independiente de las mismas secuencias a GenBank por parte de tres grupos de investigación generó confusión sobre su denominación: los nombres cop-3 y cop-4 fueron utilizados para la presentación inicial por el grupo de Hegemann; [9] csoA y csoB por el grupo de Spudich; [2] y acop-1 y acop-2 por el grupo de Takahashi. [10] Se descubrió que ambas secuencias funcionan como canales de cationes activados por luz de un solo componente en ovocitos de Xenopus y células renales humanas (HEK). [1] [11]

Sus funciones en la generación de corrientes fotorreceptoras en células de algas fueron caracterizadas por Oleg Sineshchekov, Kwang-Hwan Jung y John Spudich, [2] y Peter Berthold y Peter Hegemann. [12]

Estructura

Estructura cristalina de la canalrodopsina. PDB 3ug9 [13]

En términos de estructura, las canalrodopsinas son proteínas retinilidén . Son proteínas de siete transmembrana como la rodopsina , y contienen el cromóforo isomerizable a la luz all- trans - retinal (un derivado aldehído de la vitamina A ). El cromóforo retinal está unido covalentemente al resto de la proteína a través de una base de Schiff protonada . Mientras que la mayoría de las proteínas de 7 transmembrana son receptores acoplados a proteína G que abren otros canales iónicos indirectamente a través de segundos mensajeros (es decir, son metabotrópicas ), las canalrodopsinas forman directamente canales iónicos (es decir, son ionotrópicas ). [11] Esto hace que la despolarización celular sea extremadamente rápida, robusta y útil para aplicaciones de bioingeniería y neurociencia, incluida la fotoestimulación .

Función

Esquema de la construcción de la fusión ChR2-RFP

El ChR2 natural ("tipo salvaje") absorbe luz azul con un espectro de absorción y acción máximo a 480 nm. [14] Cuando el complejo todo -trans -retinal absorbe un fotón , induce un cambio conformacional de todo- trans a 13 -cis -retinal. Este cambio introduce otro en la proteína transmembrana, abriendo el poro a al menos 6  Å. En milisegundos, el retinal se relaja de nuevo a la forma todo-trans, cerrando el poro y deteniendo el flujo de iones. [11] La mayoría de las canalrodopsinas naturales son canales de cationes no específicos (CCR), que conducen iones H + , Na + , K + y Ca 2+ . Las canalrodopsinas conductoras de aniones (ACR) [15] y las canalrodopsinas selectivas de potasio (HcKCR1, HcKCR2) [16] se analizaron estructuralmente para comprender su selectividad iónica. [17] [18] Los ACR y los KCR se han utilizado para inhibir la actividad neuronal. Las canalrodopsinas virales (VCR1), descubiertas recientemente, se localizan en la membrana del retículo endoplasmático y provocan la liberación de calcio cuando se iluminan. [19]

El desarrollo como herramienta molecular

En 2005, tres grupos establecieron secuencialmente ChR2 como una herramienta para el control remoto óptico genéticamente dirigido ( optogenética ) de neuronas , circuitos neuronales y comportamiento.

En un primer momento, el laboratorio de Karl Deisseroth demostró que ChR2 podía utilizarse para controlar neuronas de mamíferos in vitro , logrando una precisión temporal del orden de milisegundos (tanto en términos de retraso en la activación como en términos de fluctuación temporal). [20] Debido a que todas las opsinas requieren retinal como cofactor de detección de luz y no estaba claro si las células nerviosas centrales de los mamíferos contendrían niveles suficientes de retinal, pero lo hacen. También mostró, a pesar de la pequeña conductancia de un solo canal, potencia suficiente para impulsar a las neuronas de mamíferos por encima del umbral del potencial de acción. A partir de esto, la canalrodopsina se convirtió en la primera herramienta optogenética, con la que se podía controlar la actividad neuronal con la precisión temporal con la que operan las neuronas (milisegundos). Más tarde se publicó un segundo estudio que confirmaba la capacidad de ChR2 para controlar la actividad de las neuronas de vertebrados , en este momento en la médula espinal del pollo. [21] Este estudio fue el primero en el que se expresó ChR2 junto con un silenciador óptico, la rodopsina -4 de vertebrados en este caso, demostrando por primera vez que las células excitables podían activarse y silenciarse utilizando estas dos herramientas simultáneamente, iluminando el tejido en diferentes longitudes de onda.

Se demostró que ChR2, si se expresa en neuronas o células musculares específicas, puede evocar comportamientos predecibles, es decir, puede controlar el sistema nervioso de un animal intacto, en este caso el invertebrado C. elegans . [22] Este fue el primer uso de ChR2 para dirigir el comportamiento de un animal en un experimento optogenético, haciendo que un tipo de célula genéticamente especificado esté sujeto a control remoto óptico. Aunque ambos aspectos habían sido ilustrados a principios de ese año por el grupo de Gero Miesenböck , desplegando el canal iónico P2X2 controlado indirectamente por luz, [23] a partir de entonces fueron las opsinas microbianas como la canalrodopsina las que dominaron el campo del control remoto genéticamente dirigido de células excitables, debido a la potencia, velocidad, capacidad de orientación, facilidad de uso y precisión temporal de la activación óptica directa, que no requiere ningún compuesto químico externo como ligandos enjaulados. [24]

Para superar sus principales desventajas (la pequeña conductancia de un solo canal (especialmente en estado estable), la limitación a una longitud de onda de excitación óptima (~470  nm, azul) así como el tiempo de recuperación relativamente largo, que no permite la activación controlada de neuronas por encima de 20-40 Hz), se ha optimizado ChR2 mediante ingeniería genética . Una mutación puntual H134R (que intercambia el aminoácido histidina en la posición 134 de la proteína nativa por una arginina) dio como resultado una mayor conductancia en estado estable, como se describe en un artículo de 2005 que también estableció a ChR2 como una herramienta optogenética en C. elegans . [22] En 2009, el laboratorio de Roger Tsien optimizó ChR2 para obtener mayores aumentos en la conductancia en estado estable y redujo drásticamente la desensibilización creando quimeras de ChR1 y ChR2 y mutando aminoácidos específicos, produciendo ChEF y ChIEF, que permitieron la conducción de trenes de potenciales de acción de hasta 100 Hz. [25] [26] En 2010, los grupos de Hegemann y Deisseroth introdujeron una mutación E123T en ChR2 nativo, produciendo ChETA, que tiene una cinética de encendido y apagado más rápida , lo que permite el control de potenciales de acción individuales a frecuencias de hasta 200  Hz (en tipos de células apropiados). [27] [25]

Los grupos de Hegemann y Deisseroth también descubrieron que la introducción de la mutación puntual C128S convierte al derivado de ChR2 resultante en una herramienta de función escalonada: una vez "activado" por la luz azul, ChR2(C128S) permanece en estado abierto hasta que se apaga por la luz amarilla, una modificación que deteriora la precisión temporal, pero aumenta la sensibilidad a la luz en dos órdenes de magnitud. [28] También descubrieron y caracterizaron VChR1 en las algas multicelulares Volvox carteri . VChR1 produce solo fotocorrientes diminutas, pero con un espectro de absorción que está desplazado al rojo en relación con ChR2. [29] Utilizando partes de la secuencia de ChR1, la amplitud de la fotocorriente se mejoró más tarde para permitir la excitación de dos poblaciones neuronales en dos longitudes de onda distintas. [30]

El grupo de Deisseroth ha sido pionero en muchas aplicaciones en animales vivos, como el control remoto genéticamente dirigido en roedores in vivo , [31] la inducción optogenética del aprendizaje en roedores, [32] el tratamiento experimental de la enfermedad de Parkinson en ratas, [33] [34] y la combinación con fMRI (opto-fMRI). [35] Otros laboratorios han sido pioneros en la combinación de la estimulación de ChR2 con imágenes de calcio para experimentos totalmente ópticos, [36] el mapeo de circuitos neuronales de largo alcance [37] y locales [38] , la expresión de ChR2 desde un locus transgénico - directamente [39] o en el paradigma condicional Cre-lox [38] - así como la excitación de dos fotones de ChR2, lo que permite la activación de células individuales. [40] [41] [42]

En marzo de 2013, el Premio Europeo de Investigación Cerebral Grete Lundbeck fue otorgado conjuntamente a Bamberg, Boyden, Deisseroth, Hegemann, Miesenböck y Nagel por "su invención y refinamiento de la optogenética". [43] El mismo año, Hegemann y Nagel recibieron el Premio Louis-Jeantet de Medicina por "el descubrimiento de la canalrodopsina". En 2015, Boyden y Deisseroth recibieron el Premio Breakthrough en Ciencias de la Vida y en 2020, Miesenböck, Hegemann y Nagel recibieron el premio Shaw en Ciencias de la Vida y Medicina por el desarrollo de la optogenética.

Rodopsinas de canal de diseño

Las canalrodopsinas son herramientas clave en optogenética . El extremo C-terminal de la canalrodopsina-2 se extiende hacia el espacio intracelular y puede ser reemplazado por proteínas fluorescentes sin afectar la función del canal. Este tipo de construcción de fusión puede ser útil para visualizar la morfología de las células que expresan ChR2, es decir, indicar simultáneamente qué células están marcadas con FP y permitir que la actividad sea controlada por la canalrodopsina. [20] [36] Se ha demostrado que las mutaciones puntuales cercanas al bolsillo de unión de la retina afectan las propiedades biofísicas de la canalrodopsina, lo que da como resultado una variedad de herramientas diferentes.

Cinética

El cierre del canal después de la activación óptica se puede retrasar sustancialmente mutando los residuos proteicos C128 o D156. Esta modificación da como resultado canalrodopsinas supersensibles que se pueden abrir con un pulso de luz azul y cerrar con un pulso de luz verde o amarilla (opsinas de función escalonada). [28] [44] [30] La mutación del residuo E123 acelera la cinética del canal (ChETA), y los mutantes ChR2 resultantes se han utilizado para activar neuronas a hasta 200 Hz. [27] En general, las canalrodopsinas con cinética lenta son más sensibles a la luz a nivel de población, ya que los canales abiertos se acumulan con el tiempo incluso con niveles bajos de luz.

Amplitud de la fotocorriente

Los mutantes H134R y T159C muestran fotocorrientes aumentadas, y una combinación de T159 y E123 (ET/TC) tiene fotocorrientes ligeramente mayores y una cinética ligeramente más rápida que la de ChR2 de tipo salvaje. [45] ChIEF, una quimera y mutante puntual de ChR1 y ChR2, demuestra grandes fotocorrientes, poca desensibilización y una cinética similar a la de ChR2 de tipo salvaje. [25] Las variantes con tiempo abierto extendido (ChR2-XXL) producen fotocorrientes extremadamente grandes y son muy sensibles a la luz a nivel de población. [46]

Longitud de onda

Las canalrodopsinas quiméricas se han desarrollado combinando hélices transmembrana de ChR1 y VChR1, lo que ha dado lugar al desarrollo de ChR con desplazamientos espectrales al rojo (como C1V1 y ReaChR). [30] [47] ReaChR ha mejorado el tráfico de membrana y la expresión fuerte en células de mamíferos, y se ha utilizado para la activación transcraneal mínimamente invasiva de las neuronas motoras del tronco encefálico . Las búsquedas de secuencias homólogas en otros organismos han producido canalrodopsinas con desplazamiento al rojo espectralmente mejorado y más fuerte (Chrimson). [48] En combinación con ChR2, estas canalrodopsinas sensibles a la luz amarilla/roja permiten controlar dos poblaciones de neuronas de forma independiente con pulsos de luz de diferentes colores. [49] [50]

Se ha descubierto una canalrodopsina desplazada hacia el azul en el alga Scherffelia dubia . Después de algunas modificaciones para mejorar el tráfico y la velocidad de la membrana, la herramienta resultante (CheRiff) produjo grandes fotocorrientes a una excitación de 460 nm. [51] Se ha combinado con el indicador de calcio codificado genéticamente jRCaMP1b [52] en un sistema completamente óptico llamado OptoCaMP. [53]

Selectividad iónica

La mayoría de las canalrodopsinas son canales de cationes inespecíficos. Cuando se expresan en neuronas, conducen principalmente iones Na + y, por lo tanto, son despolarizantes (excitadoras). Se han diseñado variantes con permeabilidad al calcio de moderada a alta (CatCh, CapChRs). [54] [55] Las canalrodopsinas específicas de K + (KCRs, WiChR) se descubrieron recientemente en varios protistas . [56] [57] Cuando se expresan en neuronas, las canalrodopsinas selectivas de potasio hiperpolarizan la membrana tras la iluminación, lo que evita la generación de picos (inhibitorias).

La mutación de E90 al aminoácido arginina con carga positiva convierte la canalrodopsina de un canal catiónico inespecífico en un canal conductor de cloruro (ChloC). [58] La selectividad para Cl- se mejoró aún más al reemplazar los residuos con carga negativa en el poro del canal, lo que hace que el potencial de inversión sea más negativo. [59] [60] Las canalrodopsinas conductoras de aniones (iChloC, iC++, Gt ACR) inhiben la activación neuronal en cultivos celulares y en animales intactos cuando se iluminan con luz azul. Las canalrodopsinas selectivas de calcio se han diseñado para activar las enzimas dependientes del calcio en las células. [61]

Aplicaciones

Las canalrodopsinas se pueden expresar fácilmente en células excitables como las neuronas utilizando una variedad de técnicas de transfección ( transfección viral , electroporación , pistola genética ) o animales transgénicos . El pigmento que absorbe la luz retinal está presente en la mayoría de las células (de vertebrados ) como vitamina A , lo que hace posible fotoestimular las neuronas sin agregar ningún compuesto químico. Antes del descubrimiento de las canalrodopsinas, los neurocientíficos se limitaban a registrar la actividad de las neuronas en el cerebro y correlacionar esta actividad con el comportamiento. Esto no es suficiente para demostrar que la actividad neuronal registrada realmente causó ese comportamiento. El control de redes de células modificadas genéticamente con luz, un campo emergente conocido como optogenética , permite ahora a los investigadores explorar el vínculo causal entre la actividad en un grupo específico de neuronas y los eventos mentales , por ejemplo, la toma de decisiones . El control óptico del comportamiento se ha demostrado en nematodos, moscas de la fruta, pez cebra y ratones. [62] [63] Recientemente, se han diseñado canalrodopsinas conductoras de cloruro y también se han encontrado en la naturaleza. [15] [58] Estas herramientas se pueden utilizar para silenciar neuronas en cultivos celulares y en animales vivos desviando la inhibición . [59] [60]

El uso de múltiples colores de luz amplía las posibilidades de los experimentos optogenéticos . El ChR2, sensible a la luz azul, y la bomba de cloruro activada por luz amarilla, halorhodopsina, permiten juntos la activación óptica de múltiples colores y el silenciamiento de la actividad neuronal. [64] [65] Otro par interesante es el canal de cloruro sensible a la luz azul Gt ACR2 [66] y el canal de cationes sensible a la luz roja Chrimson [67], que se han combinado en una sola proteína (BiPOLES) para el control bidireccional del potencial de membrana. [68]

Utilizando ChR2 marcado con fluorescencia, se pueden identificar axones y sinapsis estimulados por luz. [36] Esto es útil para estudiar los eventos moleculares durante la inducción de la plasticidad sináptica . [69] [70] Las redes neuronales cultivadas transfectadas se pueden estimular para realizar algunos comportamientos deseados para aplicaciones en robótica y control. [71] ChR2 también se ha utilizado para mapear conexiones de largo alcance de un lado del cerebro al otro, y para mapear la ubicación espacial de las entradas en el árbol dendrítico de neuronas individuales. [37] [72]

En 2006, se informó que la transfección con canalrodopsina podría restaurar la vista a ratones ciegos. [73]

Las neuronas pueden tolerar la expresión de ChR durante mucho tiempo, y varios laboratorios están probando la estimulación optogenética para resolver necesidades médicas. En ratones ciegos, la función visual se puede restaurar parcialmente expresando ChR2 en las células internas de la retina. [74] [75] En 2021, el ChR sensible a la luz roja ChrimsonR se administró viralmente a los ojos de un paciente humano que sufría degeneración de la retina ( retinitis pigmentosa ), lo que provocó una recuperación parcial de su visión. [76] [77] Se ha demostrado que los implantes cocleares ópticos funcionan bien en experimentos con animales y actualmente se encuentran en ensayos clínicos. [78] [79] [80] En el futuro, los ChR pueden encontrar aún más aplicaciones médicas, por ejemplo, para la estimulación cerebral profunda de pacientes con Parkinson o para controlar ciertas formas de epilepsia .

Referencias

  1. ^ ab Nagel G, Ollig D, Fuhrmann M, Kateriya S, Musti AM, Bamberg E, et al. (junio de 2002). "Canal rodopsina-1: un canal de protones activado por luz en algas verdes". Ciencia . 296 (5577): 2395–2398. Código bibliográfico : 2002 Ciencia... 296.2395N. doi : 10.1126/ciencia.1072068. PMID  12089443. S2CID  206506942.
  2. ^ abc Sineshchekov OA, Jung KH, Spudich JL (junio de 2002). "Dos rodopsinas median la fototaxis a luz de baja y alta intensidad en Chlamydomonas reinhardtii". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 99 (13): 8689–8694. doi : 10.1073/pnas.122243399 . PMC 124360 . PMID  12060707. 
  3. ^ Foster KW, Smyth RD (diciembre de 1980). "Antenas de luz en algas fototácticas". Microbiological Reviews . 44 (4): 572–630. doi :10.1128/mr.44.4.572-630.1980. PMC 373196 . PMID  7010112. 
  4. ^ Foster KW, Saranak J, Patel N, Zarilli G, Okabe M, Kline T, et al. (octubre de 1984). "Una rodopsina es el fotorreceptor funcional para la fototaxis en el eucariota unicelular Chlamydomonas". Nature . 311 (5988): 756–759. Bibcode :1984Natur.311..756F. doi :10.1038/311756a0. PMID  6493336. S2CID  4263301.
  5. ^ Litvin FF, Sineshchekov OA, Sineshchekov VA (febrero de 1978). "Potencial eléctrico de los fotorreceptores en la fototaxis del alga Haematococcus pluvialis". Nature . 271 (5644): 476–478. Bibcode :1978Natur.271..476L. doi :10.1038/271476a0. PMID  628427. S2CID  4165365.
  6. ^ Harz H, Hegemann P (junio de 1991). "Corrientes de calcio reguladas por rodopsina en Chlamydomonas". Nature . 351 (6326): 489–491. Bibcode :1991Natur.351..489H. doi :10.1038/351489a0. S2CID  4309593.
  7. ^ Holland EM, Braun FJ, Nonnengässer C, Harz H, Hegemann P (febrero de 1996). "La naturaleza de las fotocorrientes activadas por rodopsina en Chlamydomonas. I. Cinética e influencia de iones divalentes". Revista biofísica . 70 (2): 924–931. Código Bibliográfico :1996BpJ....70..924H. doi :10.1016/S0006-3495(96)79635-2. PMC 1224992 . PMID  8789109. 
  8. ^ Braun FJ, Hegemann P (marzo de 1999). "Dos conductancias activadas por luz en el ojo del alga verde Volvox carteri". Revista biofísica . 76 (3): 1668–1678. Código Bibliográfico :1999BpJ....76.1668B. doi :10.1016/S0006-3495(99)77326-1. PMC 1300143 . PMID  10049347. 
  9. ^ Kateriya, S. Fuhrmann, M. Hegemann, P.: Envío directo: gen de la proteína de unión a la retina (cop4) de Chlamydomonas reinhardtii; número de acceso en GenBank AF461397
  10. ^ Suzuki T, Yamasaki K, Fujita S, Oda K, Iseki M, Yoshida K, et al. (febrero de 2003). "Rodopsinas de tipo arqueológico en Chlamydomonas: estructura modelo y localización intracelular". Comunicaciones de investigación bioquímica y biofísica . 301 (3): 711–717. doi :10.1016/S0006-291X(02)03079-6. PMID  12565839.
  11. ^ abc Nagel G, Szellas T, Huhn W, Kateriya S, Adeishvili N, Berthold P, et al. (noviembre de 2003). "Channelrhodopsin-2, un canal de membrana selectivo de cationes activado directamente por luz". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 100 (24): 13940–13945. Bibcode :2003PNAS..10013940N. doi : 10.1073/pnas.1936192100 . PMC 283525 . PMID  14615590. 
  12. ^ Berthold P, Tsunoda SP, Ernst OP, Mages W, Gradmann D, Hegemann P (junio de 2008). "La canalrodopsina-1 inicia la fototaxis y las respuestas fotofóbicas en Chlamydomonas mediante despolarización inmediata inducida por la luz". The Plant Cell . 20 (6): 1665–1677. doi :10.1105/tpc.108.057919. PMC 2483371 . PMID  18552201. 
  13. ^ Kato HE, Zhang F, Yizhar O, Ramakrishnan C, Nishizawa T, Hirata K, et al. (enero de 2012). "Estructura cristalina del canal catiónico activado por luz canalrodopsina". Nature . 482 (7385): 369–374. Bibcode :2012Natur.482..369K. doi :10.1038/nature10870. PMC 4160518 . PMID  22266941. 
  14. ^ Bamann C, Kirsch T, Nagel G, Bamberg E (enero de 2008). "Características espectrales del fotociclo de la canalrodopsina-2 y su implicación en la función del canal". Journal of Molecular Biology . 375 (3): 686–694. doi :10.1016/j.jmb.2007.10.072. PMID  18037436.
  15. ^ ab Govorunova EG, Sineshchekov OA, Janz R, Liu X, Spudich JL (agosto de 2015). "NEUROCIENCIA. Canales aniónicos activados por luz natural: una familia de rodopsinas microbianas para optogenética avanzada". Science . 349 (6248): 647–650. Bibcode :2015Sci...349..647G. doi :10.1126/science.aaa7484. PMC 4764398 . PMID  26113638. 
  16. ^ Govorunova EG, Gou Y, Sineshchekov OA, Li H, Lu X, Wang Y, et al. (julio de 2022). "Las canalrodopsinas de potasio son canales de potasio naturales regulados por la luz que median la inhibición optogenética". Nature Neuroscience . 25 (7): 967–974. doi :10.1038/s41593-022-01094-6. PMC 9854242 . PMID  35726059. S2CID  249886382. 
  17. ^ Kim YS, Kato HE, Yamashita K, Ito S, Inoue K, Ramakrishnan C, et al. (septiembre de 2018). "Estructura cristalina de la canalrodopsina conductora de aniones natural GtACR1". Nature . 561 (7723): 343–348. Bibcode :2018Natur.561..343K. doi :10.1038/s41586-018-0511-6. PMC 6340299 . PMID  30158696. 
  18. ^ Tajima S, Kim YS, Fukuda M, Byrne EF, Wang PY, Paggi JM, et al. (31 de octubre de 2022). "Base estructural de la selectividad iónica en canalrodopsinas selectivas de potasio" (PDF) . bioRxiv . doi :10.1101/2022.10.30.514430. S2CID  253259023.
  19. ^ Eria-Oliveira AS, Folacci M, Chassot AA, Fedou S, Thézé N, Zabelskii D, et al. (2024-01-02). "Secuestro de la dinámica interna del calcio por rodopsinas virales que residen intracelularmente". Nature Communications . 15 (1): 65. Bibcode :2024NatCo..15...65E. doi :10.1038/s41467-023-44548-6. ISSN  2041-1723. PMC 10761956 . PMID  38167346. 
  20. ^ ab Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K (septiembre de 2005). "Control óptico de la actividad neuronal a escala de milisegundos y dirigido genéticamente". Nature Neuroscience . 8 (9): 1263–1268. doi :10.1038/nn1525. PMID  16116447. S2CID  6809511.
  21. ^ Li X, Gutierrez DV, Hanson MG, Han J, Mark MD, Chiel H, et al. (diciembre de 2005). "Activación rápida no invasiva e inhibición de la actividad neuronal y de red por la rodopsina de vertebrados y la canalrodopsina de algas verdes". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 102 (49): 17816–17821. Bibcode :2005PNAS..10217816L. doi : 10.1073/pnas.0509030102 . PMC 1292990 . PMID  16306259. 
  22. ^ ab Nagel G, Brauner M, Liewald JF, Adeishvili N, Bamberg E, Gottschalk A (diciembre de 2005). "La activación lumínica de la canalrodopsina-2 en células excitables de Caenorhabditis elegans desencadena respuestas conductuales rápidas". Current Biology . 15 (24): 2279–2284. Bibcode :2005CBio...15.2279N. doi : 10.1016/j.cub.2005.11.032 . PMID  16360690.
  23. ^ Lima SQ, Miesenböck G (abril de 2005). "Control remoto del comportamiento mediante fotoestimulación de neuronas dirigida genéticamente". Cell . 121 (1): 141–152. doi : 10.1016/j.cell.2005.02.004 . PMID  15820685.
  24. ^ Zhang F, Wang LP, Boyden ES, Deisseroth K (octubre de 2006). "Channelrhodopsin-2 y control óptico de células excitables". Nature Methods . 3 (10): 785–792. doi :10.1038/nmeth936. PMID  16990810. S2CID  15096826.
  25. ^ abc Lin JY (enero de 2011). "Guía del usuario sobre las variantes de canalrodopsina: características, limitaciones y desarrollos futuros". Fisiología experimental . 96 (1): 19–25. doi :10.1113/expphysiol.2009.051961. PMC 2995811 . PMID  20621963. 
  26. ^ Lin JY, Lin MZ, Steinbach P, Tsien RY (marzo de 2009). "Caracterización de variantes de canalrodopsina diseñadas con propiedades y cinética mejoradas". Biophysical Journal . 96 (5): 1803–1814. Bibcode :2009BpJ....96.1803L. doi :10.1016/j.bpj.2008.11.034. PMC 2717302 . PMID  19254539. 
  27. ^ ab Gunaydin LA, Yizhar O, Berndt A, Sohal VS, Deisseroth K, Hegemann P (marzo de 2010). "Control optogenético ultrarrápido". Nature Neuroscience . 13 (3): 387–392. doi :10.1038/nn.2495. PMID  20081849. S2CID  7457755.
  28. ^ ab Berndt A, Yizhar O, Gunaydin LA, Hegemann P, Deisseroth K (febrero de 2009). "Interruptores de estado neuronales biestables". Nature Neuroscience . 12 (2): 229–234. doi :10.1038/nn.2247. PMID  19079251. S2CID  15125498.
  29. ^ Zhang F, Prigge M, Beyrière F, Tsunoda SP, Mattis J, Yizhar O, et al. (junio de 2008). "Excitación optogenética desplazada al rojo: una herramienta para el control neuronal rápido derivada de Volvox carteri". Nature Neuroscience . 11 (6): 631–633. doi :10.1038/nn.2120. PMC 2692303 . PMID  18432196. 
  30. ^ abc Yizhar O, Fenno LE, Prigge M, Schneider F, Davidson TJ, O'Shea DJ, et al. (julio de 2011). "Equilibrio entre excitación e inhibición neocortical en el procesamiento de la información y la disfunción social". Nature . 477 (7363): 171–178. Bibcode :2011Natur.477..171Y. doi :10.1038/nature10360. PMC 4155501 . PMID  21796121. 
  31. ^ Adamantidis AR, Zhang F, Aravanis AM, Deisseroth K, de Lecea L (noviembre de 2007). "Sustratos neuronales del despertar investigados con control optogenético de neuronas hipocretinas". Nature . 450 (7168): 420–424. Bibcode :2007Natur.450..420A. doi :10.1038/nature06310. PMC 6744371 . PMID  17943086. 
  32. ^ Tsai HC, Zhang F, Adamantidis A, Stuber GD, Bonci A, de Lecea L, et al. (mayo de 2009). "La activación fásica en las neuronas dopaminérgicas es suficiente para el condicionamiento conductual". Science . 324 (5930): 1080–1084. Bibcode :2009Sci...324.1080T. doi :10.1126/science.1168878. PMC 5262197 . PMID  19389999. 
  33. ^ Gradinaru V, Mogri M, Thompson KR, Henderson JM, Deisseroth K (abril de 2009). "Deconstrucción óptica de los circuitos neuronales parkinsonianos". Science . 324 (5925): 354–359. Bibcode :2009Sci...324..354G. CiteSeerX 10.1.1.368.668 . doi :10.1126/science.1167093. PMC 6744370 . PMID  19299587.  
  34. ^ Kravitz AV, Freeze BS, Parker PR, Kay K, Thwin MT, Deisseroth K, et al. (julio de 2010). "Regulación de las conductas motoras parkinsonianas mediante el control optogenético de los circuitos de los ganglios basales". Nature . 466 (7306): 622–626. Bibcode :2010Natur.466..622K. doi :10.1038/nature09159. PMC 3552484 . PMID  20613723. 
  35. ^ Lee JH, Durand R, Gradinaru V, Zhang F, Goshen I, Kim DS, et al. (junio de 2010). "Señales fMRI globales y locales impulsadas por neuronas definidas optogenéticamente por tipo y cableado". Nature . 465 (7299): 788–792. Bibcode :2010Natur.465..788L. doi :10.1038/nature09108. PMC 3177305 . PMID  20473285. 
  36. ^ abc Zhang YP, Oertner TG (febrero de 2007). "Inducción óptica de plasticidad sináptica utilizando un canal sensible a la luz". Nature Methods . 4 (2): 139–141. doi :10.1038/nmeth988. PMID  17195846. S2CID  17721823.
  37. ^ ab Petreanu L, Huber D, Sobczyk A, Svoboda K (mayo de 2007). "Mapeo de circuitos asistido por canalrodopsina-2 de proyecciones callosas de largo alcance". Nature Neuroscience . 10 (5): 663–668. doi :10.1038/nn1891. PMID  17435752. S2CID  14275254.
  38. ^ ab Kätzel D, Zemelman BV, Buetfering C, Wölfel M, Miesenböck G (enero de 2011). "La organización columnar y laminar de las conexiones inhibidoras a las células excitatorias neocorticales". Nature Neuroscience . 14 (1): 100–107. doi :10.1038/nn.2687. PMC 3011044 . PMID  21076426. 
  39. ^ Wang H, Peca J, Matsuzaki M, Matsuzaki K, Noguchi J, Qiu L, et al. (mayo de 2007). "Mapeo de alta velocidad de la conectividad sináptica mediante fotoestimulación en ratones transgénicos con canalrodopsina-2". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 104 (19): 8143–8148. Bibcode :2007PNAS..104.8143W. doi : 10.1073/pnas.0700384104 . PMC 1876585 . PMID  17483470. 
  40. ^ Mohanty SK, Reinscheid RK, Liu X, Okamura N, Krasieva TB, Berns MW (octubre de 2008). "Activación en profundidad de células excitables sensibilizadas con canalrodopsina 2 con alta resolución espacial utilizando excitación de dos fotones con un microhaz láser de infrarrojo cercano". Revista biofísica . 95 (8): 3916–3926. Código Bibliográfico :2008BpJ....95.3916M. doi :10.1529/biophysj.108.130187. PMC 2553121 . PMID  18621808. 
  41. ^ Rickgauer JP, Tank DW (septiembre de 2009). "Excitación de dos fotones de la canalrodopsina-2 en saturación". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 106 (35): 15025–15030. Bibcode :2009PNAS..10615025R. doi : 10.1073/pnas.0907084106 . PMC 2736443 . PMID  19706471. 
  42. ^ Andrasfalvy BK, Zemelman BV, Tang J, Vaziri A (junio de 2010). "Control optogenético de la actividad neuronal mediante luz esculpida en células individuales con dos fotones". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 107 (26): 11981–11986. Bibcode :2010PNAS..10711981A. doi : 10.1073/pnas.1006620107 . PMC 2900666 . PMID  20543137. 
  43. ^ Reiner A, Isacoff EY (octubre de 2013). "The Brain Prize 2013: la revolución de la optogenética". Tendencias en neurociencias . 36 (10): 557–560. doi :10.1016/j.tins.2013.08.005. PMID  24054067. S2CID  205404606.
  44. ^ Schoenenberger P, Gerosa D, Oertner TG (diciembre de 2009). "Control temporal de la inducción génica temprana inmediata por la luz". PLOS ONE . ​​4 (12): e8185. Bibcode :2009PLoSO...4.8185S. ​​doi : 10.1371/journal.pone.0008185 . PMC 2780714 . PMID  19997631. 
  45. ^ Berndt A, Schoenenberger P, Mattis J, Tye KM, Deisseroth K, Hegemann P, et al. (mayo de 2011). "Canalrodopsinas de alta eficiencia para estimulación neuronal rápida en niveles bajos de luz". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 108 (18): 7595–7600. Bibcode :2011PNAS..108.7595B. doi : 10.1073/pnas.1017210108 . PMC 3088623 . PMID  21504945. 
  46. ^ Dawydow A, Gueta R, Ljaschenko D, Ullrich S, Hermann M, Ehmann N, et al. (septiembre de 2014). "Channelrhodopsin-2-XXL, una poderosa herramienta optogenética para aplicaciones con poca luz". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 111 (38): 13972–13977. Bibcode :2014PNAS..11113972D. doi : 10.1073/pnas.1408269111 . PMC 4183338 . PMID  25201989. 
  47. ^ Lin JY, Knutsen PM, Muller A, Kleinfeld D, Tsien RY (octubre de 2013). "ReaChR: una variante desplazada al rojo de la canalrodopsina permite una excitación optogenética transcraneal profunda". Nature Neuroscience . 16 (10): 1499–1508. doi :10.1038/nn.3502. PMC 3793847 . PMID  23995068. 
  48. ^ Klapoetke NC, Murata Y, Kim SS, Pulver SR, Birdsey-Benson A, Cho YK, et al. (marzo de 2014). "Excitación óptica independiente de distintas poblaciones neuronales". Nature Methods . 11 (3): 338–346. doi :10.1038/nmeth.2836. PMC 3943671 . PMID  24509633. 
  49. ^ Hooks BM, Lin JY, Guo C, Svoboda K (marzo de 2015). "El mapeo de circuitos de doble canal revela convergencia sensoriomotora en la corteza motora primaria". The Journal of Neuroscience . 35 (10): 4418–4426. doi :10.1523/JNEUROSCI.3741-14.2015. PMC 4355205 . PMID  25762684. 
  50. ^ Anisimova M, van Bommel B, Wang R, Mikhaylova M, Wiegert JS, Oertner TG, et al. (diciembre de 2022). "La plasticidad dependiente del momento de la espiga recompensa la sincronía en lugar de la causalidad". Corteza cerebral . 33 (1): 23–34. doi :10.1093/cercor/bhac050. PMC 9758582 . PMID  35203089. 
  51. ^ Hochbaum DR, Zhao Y, Farhi SL, Klapoetke N, Werley CA, Kapoor V, et al. (agosto de 2014). "Electrofisiología totalmente óptica en neuronas de mamíferos utilizando rodopsinas microbianas diseñadas". Nature Methods . 11 (8): 825–833. doi :10.1038/nmeth.3000. PMC 4117813 . PMID  24952910. 
  52. ^ Dana H, Mohar B, Sun Y, Narayan S, Gordus A, Hasseman JP, et al. (marzo de 2016). "Indicadores sensibles de calcio de proteína roja para la obtención de imágenes de la actividad neuronal". eLife . 5 . doi : 10.7554/eLife.12727 . PMC 4846379 . PMID  27011354. 
  53. ^ Afshar Saber W, Gasparoli FM, Dirks MG, Gunn-Moore FJ, Antkowiak M (2018). "Ensayo totalmente óptico para estudiar redes neuronales biológicas". Frontiers in Neuroscience . 12 : 451. doi : 10.3389/fnins.2018.00451 . PMC 6041400 . PMID  30026684. 
  54. ^ Kleinlogel S, Feldbauer K, Dempski RE, Fotis H, Wood PG, Bamann C, et al. (abril de 2011). "Activación neuronal ultra sensible a la luz y rápida con la canalrodopsina CatCh permeable al Ca²+". Nature Neuroscience . 14 (4): 513–518. doi :10.1038/nn.2776. PMID  21399632. S2CID  5907240.
  55. ^ Fernandez Lahore RG, Pampaloni NP, Peter E, Heim MM, Tillert L, Vierock J, et al. (diciembre de 2022). "Canalrodopsinas permeables al calcio para el fotocontrol de la señalización del calcio". Nature Communications . 13 (1): 7844. Bibcode :2022NatCo..13.7844F. doi :10.1038/s41467-022-35373-4. PMC 9772239 . PMID  36543773. 
  56. ^ Govorunova EG, Gou Y, Sineshchekov OA, Li H, Wang Y, Brown LS, et al. (2021-09-17). "Kalium rodopsinas: canales de potasio naturales activados por luz". bioRxiv : 2021.09.17.460684. doi :10.1101/2021.09.17.460684. S2CID  237576843.
  57. ^ Vierock J, Peter E, Grimm C, Rozenberg A, Chen IW, Tillert L, et al. (diciembre de 2022). "WiChR, una canalrodopsina altamente selectiva de potasio para la inhibición de células excitables por uno y dos fotones con poca luz". Science Advances . 8 (49): eadd7729. Bibcode :2022SciA....8D7729V. doi :10.1126/sciadv.add7729. PMC 9733931 . PMID  36383037. 
  58. ^ ab Wietek J, Wiegert JS, Adeishvili N, Schneider F, Watanabe H, Tsunoda SP, et al. (Abril de 2014). "Conversión de canalrodopsina en un canal de cloruro regulado por luz". Ciencia . 344 (6182): 409–412. Código Bib : 2014 Ciencia... 344.. 409W. doi : 10.1126/ciencia.1249375 . PMID  24674867. S2CID  206554245.
  59. ^ ab Wietek J, Beltramo R, Scanziani M, Hegemann P, Oertner TG, Wiegert JS (octubre de 2015). "Una canalrodopsina conductora de cloruro mejorada para la inhibición inducida por la luz de la actividad neuronal in vivo". Scientific Reports . 5 : 14807. Bibcode :2015NatSR...514807W. doi :10.1038/srep14807. PMC 4595828 . PMID  26443033. 
  60. ^ ab Berndt A, Lee SY, Wietek J, Ramakrishnan C, Steinberg EE, Rashid AJ, et al. (enero de 2016). "Fundamentos estructurales de la optogenética: determinantes de la selectividad del ion canalrodopsina". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 113 (4): 822–829. Bibcode :2016PNAS..113..822B. doi : 10.1073/pnas.1523341113 . PMC 4743797 . PMID  26699459. 
  61. ^ Fernandez Lahore RG, Pampaloni NP, Schiewer E, Heim MM, Tillert L, Vierock J, et al. (2022-12-21). "Canalrodopsinas permeables al calcio para el fotocontrol de la señalización del calcio". Nature Communications . 13 (1): 7844. Bibcode :2022NatCo..13.7844F. doi :10.1038/s41467-022-35373-4. ISSN  2041-1723. PMC 9772239 . PMID  36543773. 
  62. ^ Douglass AD, Kraves S, Deisseroth K, Schier AF, Engert F (agosto de 2008). "Comportamiento de escape provocado por picos únicos evocados por canalrodopsina-2 en neuronas somatosensoriales del pez cebra". Current Biology . 18 (15): 1133–1137. Bibcode :2008CBio...18.1133D. doi :10.1016/j.cub.2008.06.077. PMC 2891506 . PMID  18682213. 
  63. ^ Huber D, Petreanu L, Ghitani N, Ranade S, Hromádka T, Mainen Z, et al. (enero de 2008). "La microestimulación óptica dispersa en la corteza de barril impulsa el comportamiento aprendido en ratones que se mueven libremente". Nature . 451 (7174): 61–64. Bibcode :2008Natur.451...61H. doi :10.1038/nature06445. PMC 3425380 . PMID  18094685. 
  64. ^ Han X, Boyden ES (marzo de 2007). "Activación óptica de múltiples colores, silenciamiento y desincronización de la actividad neuronal, con resolución temporal de un solo pico". PLOS ONE . ​​2 (3): e299. Bibcode :2007PLoSO...2..299H. doi : 10.1371/journal.pone.0000299 . PMC 1808431 . PMID  17375185. 
  65. ^ Zhang F, Wang LP, Brauner M, Liewald JF, Kay K, Watzke N, et al. (abril de 2007). "Interrogación óptica rápida multimodal de circuitos neuronales". Nature . 446 (7136): 633–639. Bibcode :2007Natur.446..633Z. doi :10.1038/nature05744. PMID  17410168. S2CID  4415339.
  66. ^ Govorunova EG, Sineshchekov OA, Janz R, Liu X, Spudich JL (agosto de 2015). "NEUROCIENCIA. Canales aniónicos activados por luz natural: una familia de rodopsinas microbianas para optogenética avanzada". Science . 349 (6248): 647–650. Bibcode :2015Sci...349..647G. doi :10.1126/science.aaa7484. PMC 4764398 . PMID  26113638. 
  67. ^ Klapoetke NC, Murata Y, Kim SS, Pulver SR, Birdsey-Benson A, Cho YK, et al. (marzo de 2014). "Excitación óptica independiente de distintas poblaciones neuronales". Nature Methods . 11 (3): 338–346. doi :10.1038/nmeth.2836. PMC 3943671 . PMID  24509633. 
  68. ^ Vierock J, Rodriguez-Rozada S, Dieter A, Pieper F, Sims R, Tenedini F, et al. (julio de 2021). "BiPOLES es una herramienta optogenética desarrollada para el control bidireccional de neuronas en dos colores". Nature Communications . 12 (1): 4527. Bibcode :2021NatCo..12.4527V. doi :10.1038/s41467-021-24759-5. PMC 8313717 . PMID  34312384. 
  69. ^ Zhang YP, Holbro N, Oertner TG (agosto de 2008). "La inducción óptica de plasticidad en sinapsis individuales revela acumulación específica de entrada de alphaCaMKII". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 105 (33): 12039–12044. Bibcode :2008PNAS..10512039Z. doi : 10.1073/pnas.0802940105 . PMC 2575337 . PMID  18697934. 
  70. ^ Anisimova M, van Bommel B, Wang R, Mikhaylova M, Simon Wiegert J, Oertner TG, et al. (febrero de 2022). "La plasticidad dependiente del momento de la espiga recompensa la sincronía en lugar de la causalidad". Corteza cerebral . 33 (1): 23–34. doi :10.1093/cercor/bhac050. PMC 9758582 . PMID  35203089. 
  71. ^ Xu Z, Ziye X, Craig H, Silvia F (diciembre de 2013). "Entrenamiento indirecto basado en picos de un insecto virtual controlado por red neuronal con picos". 52.ª Conferencia IEEE sobre decisión y control . IEEE Decision and Control. págs. 6798–6805. CiteSeerX 10.1.1.671.6351 . doi :10.1109/CDC.2013.6760966. ISBN .  978-1-4673-5717-3.S2CID13992150  .​
  72. ^ Petreanu L, Mao T, Sternson SM, Svoboda K (febrero de 2009). "La organización subcelular de las conexiones excitatorias neocorticales". Nature . 457 (7233): 1142–1145. Bibcode :2009Natur.457.1142P. doi :10.1038/nature07709. PMC 2745650 . PMID  19151697. 
  73. ^ Bi A, Cui J, Ma YP, Olshevskaya E, Pu M, Dizhoor AM, et al. (abril de 2006). "La expresión ectópica de una rodopsina de tipo microbiano restaura las respuestas visuales en ratones con degeneración de los fotorreceptores". Neuron . 50 (1): 23–33. doi :10.1016/j.neuron.2006.02.026. PMC 1459045 . PMID  16600853. 
  74. ^ Bi A, Cui J, Ma YP, Olshevskaya E, Pu M, Dizhoor AM, et al. (abril de 2006). "La expresión ectópica de una rodopsina de tipo microbiano restaura las respuestas visuales en ratones con degeneración de los fotorreceptores". Neuron . 50 (1): 23–33. doi :10.1016/j.neuron.2006.02.026. PMC 1459045 . PMID  16600853. 
  75. ^ Lagali PS, Balya D, Awatramani GB, Münch TA, Kim DS, Busskamp V, et al. (junio de 2008). "Los canales activados por luz dirigidos a las células bipolares ON restauran la función visual en la degeneración de la retina". Nature Neuroscience . 11 (6): 667–675. doi :10.1038/nn.2117. PMID  18432197. S2CID  6798764.
  76. ^ Sahel JA, Boulanger-Scemama E, Pagot C, Arleo A, Galluppi F, Martel JN, et al. (julio de 2021). "Recuperación parcial de la función visual en un paciente ciego después de la terapia optogenética". Nature Medicine . 27 (7): 1223–1229. doi : 10.1038/s41591-021-01351-4 . PMID  34031601.
  77. ^ Gallagher J (24 de mayo de 2021). "Las proteínas de las algas restauran parcialmente la vista del hombre". BBC News .
  78. ^ Hernandez VH, Gehrt A, Reuter K, Jing Z, Jeschke M, Mendoza Schulz A, et al. (marzo de 2014). "Estimulación optogenética de la vía auditiva". The Journal of Clinical Investigation . 124 (3): 1114–1129. doi :10.1172/JCI69050. PMC 3934189 . PMID  24509078. 
  79. ^ Mager T, Lopez de la Morena D, Senn V, Schlotte J, D Errico A, Feldbauer K, et al. (Mayo 2018). "High frequency neural spiking and audity signaling by ultrafast red-shifted optogenetics". Nature Communications . 9 (1): 1750. Bibcode :2018NatCo...9.1750M. doi :10.1038/s41467-018-04146-3. PMC 5931537 . PMID  29717130. 
  80. ^ Keppeler D, Merino RM, Lopez de la Morena D, Bali B, Huet AT, Gehrt A, et al. (diciembre de 2018). "Estimulación optogenética ultrarrápida de la vía auditiva mediante Chronos optimizado para la focalización". The EMBO Journal . 37 (24): e99649. doi :10.15252/embj.201899649. PMC 6293277 . PMID  30396994. 

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