化學遺傳學和DREADD

大腦分分秒秒都在運作，沒人想讓它停轉。但科學家要研究某個腦區的功能，就必須讓該腦區“停轉”。大腦行使功能依賴于億萬神經元的放電，停轉或失活一個腦區從微觀層面上來講，就是失活腦區內的神經元。

大腦功能依賴于神經元

失活神經元的方法大體可歸為兩類：可逆和不可逆。如果一種手段只讓神經元暫時失活，一段時間后又恢復正常功能，那么這種方法就是可逆的。反之，是不可逆的。

在可逆的技術中，有一種叫化學遺傳學。

化學遺傳學和DREADD

化學遺傳學是化學藥物和基因技術結合的產物，泛指通過基因技術改變生物體蛋白質，然后探索突變蛋白和化學藥物分子的相互作用。而DREADD是神經科學家最常用的操縱神經元反應的化學遺傳學技術。

DREADD全稱長且拗口，卻清晰地表達了它的含義：人工設計的受體只被人工設計的藥物激活，Designer Receptor Exclusively Activated by Designer Drugs，英文簡稱DREADD。

具體來說，人工設計一種蛋白受體，并通過病毒載體讓這種受體在神經元內表達，這種受體只專一地結合特定的人工設計的藥物，與之結合后可激活或抑制神經元放電。藥物代謝完后，神經元的功能又會恢復。

DREADD原理圖。左：內源受體和配體，右：人工突變的受體和藥物

人工設計的藥物可以通過簡單的方式攝入，比如肌肉、靜脈、腹腔或皮下注射，甚至口服。藥物進入血液，穿過血腦屏障進入腦組織，最終跟人工設計的蛋白受體結合從而起作用。

化學遺傳學工作流程

有一種DREADD系統高頻出現在神經科學研究中，它就是CNO-hM4Di/hM3Dq系統。

CNO-hM4Di/hM3Dq系統

CNO全稱為氯氮平一氧化氮（clozapine N-oxide），是DREADD系統中人工設計的藥物。而hM4Di和hM3Dq是人工設計的蛋白受體，是經過突變的人源毒蕈堿型受體。

毒蕈堿型受體是神經遞質乙酰膽堿的內源受體，廣泛存在于動物體內。毒蕈堿型受體是一種G蛋白偶聯受體，當乙酰膽堿和毒蕈堿型受體結合時，受體被激活，構象改變，進一步激活偶聯的G蛋白，G蛋白再引發下游反應，最終激活或者抑制神經元。

毒蕈堿型受體是G蛋白藕連受體，M1，M3，M5型受體激活神經元，M2，M4抑制神經元

乙酰膽堿激活還是抑制神經元則取決于毒蕈堿型受體的具體亞型。如果是M4型毒蕈堿型受體，與之偶聯的是Gi蛋白，Gi蛋白的后續反應最終會抑制神經元。如果是M3型，招引來的則是Gq蛋白，Gq蛋白的下游反應最終會激活神經元。

為了能精準地激活或抑制神經元，人們將毒蕈堿型受體在特定位點進行突變，突變后毒蕈堿型受體不再結合內源的乙酰膽堿，而專一被人工藥物CNO激活，激活之后的下游反應不變。

CNO

突變后的人源M4毒蕈堿型受體稱為hM4Di，它跟CNO結合后會抑制神經元。而突變后的M3毒蕈堿型受體稱為hM3Dq，它跟CNO結合后會激活神經元。

CNO和hM4Di結合使神經元超極化抑制，和hM3Dq結合使神經元放電

體內機制

長久以來，科學家認為進入體內的CNO穿過血腦屏障作用于神經元，但2017年的一篇《Science》文章改變了人們的看法。

CNO并不能穿過血腦屏障。

科學家將帶有放射性元素C11的CNO注射到老鼠體內，然后用正電子發射斷層掃描技術（PET）來探測C11在體內的位置。結果發現，小鼠腦內沒有一絲C11的星光，也就是說帶有C11的CNO并沒有進入大腦。

CNO并不能跨越血腦屏障（藍色中空位置是小鼠大腦）

進一步，科學家犧牲掉小鼠，提取小鼠的血液、外周器官和大腦組織，然后檢測放射性同位素C11的蹤跡。跟PET檢測一樣，科學家只在血液和外周器官中發現C11，而腦內一無所獲。

這就奇怪了。畢竟，一大摞已發表的文章表明，CNO和hM4Di/hM3Dq的結合可以有效的抑制或興奮腦內的神經元。

當數據無法得到圓滿解釋時，科學家便開始提出新的假說。

CNO在生物體內會轉化成氯氮平（Clozapine），那是不是氯氮平替CNO完成了使命了呢？

氯氮平（左）和CNO（右）

首先，科學家同樣將反射性同位素C11結合到氯氮平上，然后注射到小鼠體內。當PET掃描圖像呈現時，科學家發現小鼠腦內亮起了銀河。也就是說，氯氮平可以穿過血腦屏障進入大腦。

氯氮平可以穿過血腦屏障進入大腦（黃色部分為小鼠大腦）

如果氯氮平想替CNO完成任務，它也必須能跟hM4Di和hM3Dq結合?？茖W家將hM4Di在小鼠腦內某個特定位置表達。如果hM4Di對氯氮平有很強的親和力，那么hM4Di表達的位置也會是氯氮平聚集的位置。在氯氮平注射50分鐘后，PET技術和免疫化學染色均在hM4Di表達的位置點亮了聚集的氯氮平，這說明氯氮平確實可以跟hM4Di高親和力的結合。

氯氮平Clozapine在hM4Di的位置聚集

最后一步要驗證結合hM4Di的氯氮平能不能改變動物的行為。首先，科學家將hM4Di表達在小鼠的伏隔核（nucleus accumbens），伏隔核是大腦獎賞通路的一個重要成分，它接收多巴胺中樞VTA的輸入。以往的實驗表明，如果抑制伏隔核，小鼠會變得蔫不拉幾，不愛動。相反，激活伏隔核，小鼠超愛動。

如果氯氮平能跟hM4Di結合并抑制伏隔核內的神經元，那么小鼠的運動量將會顯著減少，實驗結果也正是如此。

少量的氯氮平（CLZ）即可抑制小鼠的運動

跟CNO相比，在小鼠身上達到同樣的行為效果，氯氮平只需要百分之一的量。并且，CNO被攝入體內一段時間后才起作用，而這一延遲正是CNO在體內轉變成氯氮平所需的時間。

以上一系列實驗表明，CNO在體內轉變成氯氮平，然后跟hM4Di結合，抑制神經元反應。

CNO和氯氮平的副作用

高濃度的CNO和氯氮平除了跟hM4Di、hM3Dq結合外，還會跟內源性的配體競爭結合內源性的受體，從而產生副作用。這些內源性受體包括多巴胺D1、D2受體、乙酰膽堿的毒蕈堿M1、M3、M4受體、五羥色胺2A受體等。而副作用在行為上表現通常為動物精神不振、活動減少。

既然CNO和氯氮平有副作用，那么有沒有更好的藥物可用呢？

去氯氯氮平（DCZ）

2019年，日本科學家Takafumi Minamimoto發現了另外一種藥物：去氯氯氮平（簡稱DCZ）。顧名思義，去掉氯氮平分子中的氯。

左：去氯氯氮平，右：氯氮平

去氯氯氮平和氯氮平結構極其相似，和hM4Di、hM3Dq有更高的親和力。同時，跟內源性多巴胺受體，乙酰膽堿受體和五羥色胺受體親和力較弱。也就是說去氯氯氮平的選擇性更高，副作用也小，是新一代冉冉升起的明星藥物。

在猴腦內，去氯氯氮平（DCZ）跟hM4Di的結合更特異

總結

化學遺傳學的方法對動物損傷極小。病毒在腦內表達后，每次實驗只需肌肉或靜脈注射藥物即可抑制或興奮一個腦區，非常適合進行人體醫學的轉化。

但化學遺傳學也有缺點，時間精度差。藥物會連續幾個小時起作用，在此期間，神經元一直處于不正常狀態。大腦的認知通常變化很快，幾秒內甚至一秒內會發生數個認知過程，要分離開這些瞬態且順序進行的認知過程，迫切需要更快速更靈活的可逆手段。

于是，光遺傳技術脫穎而出。