钙信号相关光遗传学工具开发及其在神经生物学中的应用

神经元通过动作电位及突触传递来使动物对内外刺激做出快速而准确的反应.钙信号通过介导或调控上述生理过程,成为神经元活动的标志.凭借高度的时空特异性,光遗传学成为探究神经元钙信号的一种理想手段.近年来,基于一系列光敏蛋白所开发出的光控钙信号工具,在不断完善和改进下,被成功地应用于神经生物学研究中.利用这些工具在多种模式动物中进行了低损伤性的光遗传学操作,实现了从神经元钙信号到动物记忆及行为的光操纵,体现了这类工具巨大的潜在应用价值.本文总结了钙信号相关光遗传学工具的最新研究进展,介绍了不同光控钙信号工具的设计原理及其在神经生物学中的应用,并对后续发展进行了展望.     

神经元钙信号系统异常与阿尔茨海默病的“钙假说”

钙信号是细胞调节各项生命活动的重要机制。神经元通过胞外钙离子(calcium ion, Ca²⁺)内流、内质网Ca²⁺释放以及Ca²⁺释放介导的Ca²⁺内流等方式产生具有时空特异性的钙信号,用于调控多种生物学过程,例如动作电位的调节、神经递质的释放、轴突的生长以及突触可塑性等。神经元胞内Ca²⁺浓度因受到细胞精确调控而处于动态平衡之中。若钙信号失调导致平衡被打破,则会造成神经元功能异常甚至死亡。近年来多项研究表明,钙稳态失衡与神经退行性疾病,例如阿尔茨海默病等的产生和发展密切相关,由此发展出关于阿尔茨海默病的钙假说。该假说认为,神经元钙稳态调节机制的持续性改变是神经元功能失常、大脑产生慢性疾病的重要因素。阿尔茨海默病发生发展过程中,神经元胞浆钙水平异常增高,致使多种钙依赖性酶的活性异常,进而影响基因转录。虽然内质网钙稳态的变化目前仍存在一定的争议,但较为确定的是线粒体中存在着钙超载的现象,导致氧化磷酸化反应下调,活性氧的产量增加,进而引发细胞凋亡。本文主要介绍了神经元钙信号系统及其功能,简要梳理了阿尔茨海默病钙假说的相关研究,并对后续研究进行了展望。