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Nature丨光遗传学的重要应用，神经刺激恢复大鼠膀胱功能责编丨寥汀图片来自：Nature生物电子医学采用工程系统刺激神经系统【1】，以缓解疾病症状。
这类系统目前的主流方式是融合了光遗传技术【2】，即利用光控制活细胞（一般是神经细胞）。
然而目前的生物电子医疗系统缺乏靶向特定器官所需的特异性，因此有可能产生意外的副作用。
1月3日，来自美国伊利诺伊州西北大学的 John A. rogers课题组等在Nature上发表了题为A wireless closed-loop system for optogenetic peripheral neuromodulation的研究论文，该研究报道了一种通过电刺激和光输入控制神经活动的生物光电子系统可以恢复大鼠的膀胱功能。
经过进一步的研发和测试，该系统或能成为一种治疗疾病和器官功能障碍的新方法。
在这项研究中，研究人员开发了一个微型生物光电子系统，并将其植入患有药物诱发的膀胱功能障碍的雌性大鼠体内。
植入物包括一个闭环（自调节）系统（full closed-loop optogenetic control system）和若干互联组件：一个传感器，用以监测膀胱充盈情况；一对微尺度LED，用以照射膀胱进行光遗传学控制；一个无线单元，用以为系统提供动力；以及一个数据监测装置（下图）。
大鼠对上述装置耐受良好，在植入后的7天内，未观察到明显炎症反应或体重/运动变化。
研究人员通过遗传操作的方法过表达了一个光控蛋白Arch （archaerhodopsin，一种黄色激光激活的外向整流质子泵，能够将带正电的质子从神经元内移动到细胞外环境中，使神经元处于超极化状态，从而保证神经元处于静息状态。
当激光关闭的时候，Arch立即从通道打开状态恢复到关闭状态。
）在小鼠膀胱的感知神经细胞中，用于监测膀胱的周长。
该系统能够实时自动识别排尿的病理类型，并触发LED以光遗传学方式刺激特定的膀胱神经做出反应。
NatureMethods新型光遗传学调控系统，可用于植物中的基因表达调控光遗传学（Optogenetics）是指以光为调控介质，光响应元件为受体来调控细胞发育过程的遗传学方法。
相比于化学试剂诱导调控，光遗传学手段对于细胞信号转导、代谢过程的调控更有时空特异性并且更容易定量和可逆。
遗传编码的光响应元件在哺乳动物研究中广泛应用，比如调节神经传递，基因表达，表观遗传，蛋白活性及亚细胞定位等【1】。
相比于动物中的研究，光遗传学在植物研究中的应用滞后很多，一个主要原因在于植物的正常生长需要具有广泛光谱的自然环境白光，白光里的成分会诱导光响应元件错误的激活，从而影响对于光响应元件精准及定量的调控【2】。
为了避免环境光源对于光响应元件的错误激活，德国杜塞尔多夫大学Matias D. Zurbriggen教授团队，研发出一套新型光遗传学调控系统，该系统只有在单一的红光下才激活，而在白光、蓝光及黑暗条件下均处于关闭状态，该系统不仅可以在原生质体及叶片中瞬时调控基因表达，还能以稳定遗传的方式在整个植株中起作用。
相关研究以O ptogenetic control of gene expression in plants in the presence of ambient white light为题发表于期刊Nature Methods 上。
研究者将其开发的光遗传学系统命名为plant usable light-switch elements (PULSE)，PULSE有两个光响应子系统，一个是蓝光抑制基因表达组件，简称Boff；另一个是红光激活基因表达组件，简称Ron. Boff包含来自于细菌Erythrobacter litoralis的蓝光受体EL222，蓝光照射下EL222组成活性二聚体并结合DNA序列C120【3】，并且EL222上融合了一段转录抑制结构域SRDX. Ron则包含PhyB-VP16和E-PIF6，融合蛋白E-PIF6通过DNA结构域E结合DNA etr元件，红光照射下，红光受体PhyB-VP16通过PhyB与PIF6结合，而转录激活结构域VP16可以招募转录起始复合物来起始转录【4】。
光遗传学技术的开发及其应用研究随着生物技术的日益发展，光遗传学技术作为一项新兴技术也逐渐走进人们的视野。
光遗传学技术是一种通过光信号控制活体系统生理和行为的新兴技术，具有较高的时空分辨率和精度。
本文将对光遗传学技术的开发及其应用研究进行论述。
一、光遗传学技术的发展历程光遗传学技术的历史可以追溯到上个世纪早期，当时科学家发现细菌的光合作用是由叶绿素蛋白催化器催化，启示了光作用与生物学的可能联系。
1959年，美国学者U.Schwartz首次发现了光驱动离子通道，开启了对光作用与细胞生物学的研究。
1987年，日本学者S.Kawamura等人首次报道了具有外源发光氧化物还原酶酪氨酸蛋白酶(codA)基因的细菌，将外源基因与生物体内部的光学器件结合起来，奠定了光遗传学技术发展的基础。
同时，还有一些其他的外源蛋白被发现，包括叶绿素蛋白酶基因和嗜热光氧化还原酶酪氨酸蛋白酶等。
1990年代，随着基因工程技术的逐渐发展，科学家们利用DNA重组技术，成功将可控制细胞产生化学物质的自动调控系统与基因载体融合，形成了一种新的合成调控系统。
志愿者在体内注入合成生物系统内的蛋白发现，经过光刺激后，体内对于葡萄糖的耗氧速度有着明显的变化，证明了光遗传学技术的存在与可行性。
近年来，随着生物信息学技术和新型合成材料技术的不断进步，光遗传学技术得到了长足的发展，目前已成为细胞调控领域的前沿技术之一。
二、光遗传学技术的应用研究1. 生物医学研究在生物医学研究中，光遗传学技术常被用于探究特定蛋白、受体和信号通路的生理功能，研究神经元连接和神经退行性疾病的调控机制等。
光遗传学技术可以通过非侵犯性控制特定类型的神经元，在小鼠的大脑中探索神经回路和神经元连接，可以着手研究疾病相关的蛋白质在大脑信号转递过程中的作用。
2. 应用于生产和环境保护光遗传学技术的应用不仅局限于生物医学研究，还可以应用于提高生产效率和环境保护。
例如，通过光遗传学技术控制植物的光周期，可以提高植物对于环境的适应性和产量，同时，也能减少农药的使用和环境污染等问题。
Nature子刊4篇同聚焦，表观遗传学突破性成果作者：解螺旋·子非鱼如需转载请注明来源：解螺旋·医生科研助手导语生命中存在的各种各样的因果关系其实都可以简单粗暴的认为是基因作用的结果。
那么是否拥有相同遗传背景，就能够拥有平等的人生了？too young too naive！表观遗传学带来的“获得性遗传”使得一切成为可能，且它可作为传递遗传信息的重要补充，近年来也引起科学家们的研究热潮。
最近Nature发表了四篇有关表观遗传学里程碑成果，预示了表观遗传分析用于临床诊断和精准医学的可行性。
1.Nature Biotechnology: 临床上DNA甲基化检测方法的比较在许多疾病中，DNA甲基化的模式都会发生改变，并且与临床上疾病的亚型、预后和药物反应密切相关。
研究人员通过合适的分析方法和大规模的实验验证，发现可利用这种联系进行临床诊断和个性化治疗。
本文的研究小组比较了用于临床上分析DNA甲基化的所有有前景的方法，并将32个参考样品运送至7个不同国家的18个实验室中。
这些实验室的研究人员通过10种技术针对大约27个已知基因区域进行研究后，共同贡献了21个特异性位点分析及6个全球分析。
同时，他们评估了10种检测方法应用在小量样品中的灵敏度和其在区分不同细胞类型的能力强弱，并最终确定了扩增子亚硫酸盐测序和焦磷酸测序是最为精确的方法，证实了基于DNA甲基化的一些表观遗传检测是已准备好供广泛临床使用的一项成熟技术。
参考文献：Quantitative comparison of DNA methylation assays for biomarker development and clinical applications2.Nature Biotechnology: 全基因组DNA甲基化测序分析伦敦大学学院的研究小组验证了全基因组DNA甲基化测序技术，评估了甲基化的五个重要区域的识别覆盖效果：CpG岛、差异甲基化位点（DMPs）、差异甲基化区域（DMRs）、共甲基化位点（COMETs）和差异性甲基化COMETs（DMCs），证实了该技术在鉴别样本和疾病亚型之间DNA甲基化差异方面的实用价值。
光遗传学概述范文光遗传学是一门研究光在生物体中的作用、调控和应用的学科。
它涉及到光对生物生长、发育、代谢和行为的影响，以及利用光敏生物体进行生命科学研究和生物技术开发的方法。
同时，光还通过调控生物体的内部时钟影响它们的行为和生理过程。
昼夜节律（circadian rhythm）是一种生物内部的24小时周期性变化，它调控着生物体各种生理功能的时间安排。
光通过光感受器（photoreceptor）刺激细胞中的生物钟蛋白（clock protein），从而调节生物的睡眠、饮食、代谢、免疫等重要生理过程。
光遗传学的发展始于20世纪中叶，最早是通过观察和研究生物怎样对光做出反应来了解光遗传学。
然而，由于观察到的生理和行为反应复杂且不易控制，这种方法受到了限制。
随着遗传学和分子生物学的发展，科学家们开始利用光感受器的基因工程表达和调控技术。
光遗传学的研究主要集中在几种光感受器上，包括光导蛋白（opsin）和光激活蛋白（photoreactive protein）。
光导蛋白是一类具有感光功能的蛋白，它们可以感受光信号，并将其转化为电信号或化学信号。
光激活蛋白则是一类在光照下发生可逆结构变化的蛋白质，通过调节这些蛋白的结构变化，研究人员可以实现对细胞或生物体活动的精确控制。
利用光遗传学技术可以为生命科学领域的研究提供很多有价值的工具和方法。
例如，科学家们可以利用光导蛋白的基因工程表达来研究神经元的功能和连接方式。
通过将光导蛋白与一种感受电位变化的蛋白质结合，可以实现对神经元的精确刺激和调控。
这种方法被称为光遗传学刺激（optogenetics stimulation），它在神经科学研究中有着广泛的应用。
此外，光遗传学还可以帮助研究人员研究光周期调控机制。
通过将光感受器的基因导入到其他物种中，可以使它们对光做出反应，并通过调节光照条件来研究其生长发育的变化。
这种方法被称为光周期调控（photoperiodism），在农业和植物育种中有着重要的应用价值。
学习笔记之光遗传学光遗传学方法研究生物大脑光遗传学（optogenetics），即结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生γ波（gammaoscillations），并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。
概述光遗传学，是研究人员使用一种新的光控方法选择并打开了某种生物的一类细胞。
这也帮助科学家解答一个长期存在的难题，即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。
光遗传学（optogenetics）——结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生γ波（gammaoscillations），并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。
科学研究光影响小白鼠的大脑斯坦福大学的研究人员现在可以使用光来影响小白鼠的大脑，让一只患有帕金森症的小白鼠重新站立起来，甚至是重新走路。
他们把这项技术称之为Optogenetics(opticalstimulationplusgeneticengineering光刺激基因工程/光遗传学)。
这个技术的关键是：科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因，这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应，还能通过自生特性感染类似的细胞。
斑马鱼幼虫细胞中靶向插入光敏开关研究人员在清醒的斑马鱼幼虫的这些细胞中靶向插入光敏开关，结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为—幼虫典型的周期性摆尾。
这项发现可能为人类相关的研究提供一种启发，因为哺乳动物也有类似的细胞。
此外，这项研究也凸现了新技术的亮点，使用光控开关-光栅离子通道并结合基因靶向定位可以轻松研究某一类型的细胞。
人的神经病学疾病研究表明在罹患精神分裂症与其他精神病学与神经病学疾病的患者身上（被扰乱）会出现γ波，光遗传学新工具给予科学家很大的机会来探索这些信号通路的功能。
γ振荡反映出大型互连神经元网路的同步活动，以范围在每秒20-80周期的频率发射。
【高中生物】PNAS光遗传学上的重大突破：不需要植入式光纤了虽然传统的光遗传学利用微生物光敏通道蛋白来控制神经元的活动，在神经科学研究中获得了重大进展，但光纤植入大脑增加了一系列后备工作的负担，从而限制了光遗传学的应用。
光探头是必不可少的工具，通常在体内应用时需要侵入性的光纤植入，对临床应用和多个脑区的应用是重大的限制。
另一方面，化学遗传学可以使用基因靶向结合的小分子调节脑神经元的活动。
虽然是一种小分子系统，注射远比光纤植入带来的创口小，但化学遗传学方法有其自身的局限性，如反应动力学上比较慢和G蛋白信号的依赖，这可能引起不必要的二次目标神经元的影响。
结合光遗传学和化学遗传学方法的独特优势，可以为在大范围的空间尺度建立对神经回路的探提供前所未有的机遇。
在1月5日在线发表的PNAS中，研究人员将光遗传学探针和荧光素酶融合，在体外时底物存在时发出生物光激活神经元，在体内除了物理光可以由生物光控制神经元的活性。
这样的融合蛋白，称为luminopsins，可为实验和临床神经科学提供无比的价值。
luminopsins荧光素酶和视蛋白的融合蛋白，允许在不同时间和空间，无论是体外或体内生物光的激活，进行神经元回路的探测。
在以前对野生型Gaussia荧光素酶和光敏感通道蛋白融合的基础上，在这篇研究中研究人员扩展了luminopsins，融合发出亮光的Gaussia荧光素酶不同变异体与光敏感通道蛋白来兴奋神经元（发光视蛋白，LMO）或质子泵来抑制神经元（抑制LMO，iLMO）。
这些改进的LMOs可以在体外和体内可靠地激活或抑制神经元。
在海马电路区域回路表达改进的LMO，不仅能对海马CA1区神经元突触活性的细时空分辨率进行定位，也可以在较大的时空尺度驱动兴奋回路。
此外，病毒介导的LMO 或iLMD在体内的黑质表达不仅产生预期的对单元活动的双向控制，也有针对全身注射荧光素酶底物回路行为的影响的反作用。
因此，虽然保持外部光源活化的能力，运用相同的视蛋白，实现非干扰的，化学遗传的方法实现了无创，LMOs扩大了光遗传学的使用，从而允许相同的探针在一定空间和时间尺度的范围操纵神经元活动。
z型异质结构光催nature 概述及解释说明1. 引言1.1 概述本文旨在介绍z型异质结构在光催技术中的应用，并对其原理和特征进行详细解释。
光催技术是利用光能转化化学反应能量的一种方法，具有广泛的应用领域。
而z型异质结构作为一种新兴的材料结构，具有优异的光吸收和反应速率提高效果，使其成为光催技术领域研究热点。
1.2 文章结构本文主要分为五个部分进行介绍。
首先是引言部分，概述了文章的目的和结构。
第二部分将详细解释z型异质结构的定义和特征，并探讨其在不同领域中的应用。
第三部分总结了光催技术的基本原理、发展历程以及相关研究进展。
第四部分重点阐述了z型异质结构在光催技术中的具体应用，包括增强吸收效果和提高反应速率的机制分析，并介绍实际应用案例。
最后，文章将在结论与展望部分总结主要研究发现，并提出存在问题与未来发展方向。
1.3 目的本文旨在系统地介绍z型异质结构在光催技术中的应用，并对其进行深入解析。
通过对该领域的研究进展和实际应用案例的介绍，探讨z型异质结构如何提升光催技术的效果，并展望其未来发展方向。
希望通过本文的撰写和阐述，为相关研究人员提供参考和启示，推动光催技术领域的发展。
2. z型异质结构:2.1 定义解释:z型异质结构是一种具有特殊排列方式的材料结构，其中两种或多种不同成分的材料以交替的形式层叠在一起，形成一个呈现Z字形状的界面。
这种结构常见于纳米材料和薄膜中，由于其独特的形态和组成，具有出色的光学、电学和化学性能。
2.2 特征介绍:- 层状结构: z型异质结构由多个互相堆叠的层片组成，每个层片都是由不同材料组成。
- Z字形状排列: 不同的层片在垂直方向上以交替的方式排布，并且呈现出Z字形状。
2.3 应用领域:z型异质结构具有广泛的应用潜力，在许多领域得到了广泛关注和应用, 包括但不限于以下几个方面：- 光催化: z型异质结构可以调控光学吸收和光致反应过程, 提高光催化活性, 在水分解、二氧化碳还原等领域具有潜在应用。
光遗传学技术在神经生物学中的应用近年来，光遗传学技术在神经生物学领域中的应用越来越广泛。
这项技术利用光敏感蛋白质和激光照射的方法，能够在毫秒级的时间尺度内实现神经元的精准活动调控，为神经科学的研究提供了有力的工具。
本文将详细介绍光遗传学技术在神经生物学中的应用，并展望该技术未来的发展前景。
一、光遗传学技术简介光遗传学技术是一种能够在活体动物中实现神经元精准调控的技术。
它利用光敏感蛋白质如光敏离子通道或光敏酶等，通过激光的照射来操作这些蛋白质的开关机制。
该技术具备时空分辨率高、非侵入性好、可重复性强的特点，能够对神经元精细调控，促进对神经回路的研究和神经调控功能的揭示。
二、光遗传学技术在神经生物学中的应用1. 处理神经突触可塑性的研究神经突触可塑性指的是神经元之间的联系在不断改变，从而影响神经信息传递的现象。
这种可塑性可以通过光遗传学技术来进行研究。
例如，一些研究者利用光刺激来激活或抑制神经突触的前、后突触侧，以控制神经元之间的传递能力，增加或减弱突触可塑性，从而揭示其分子机制。
2. 化学与光遗传相结合的显微成像技术该方法通过对神经元的激光刺激，使其表达荧光蛋白并发出荧光信号，以实现神经元的动态跟踪和信息传递成像。
该技术可将光刺激和荧光成像相结合，能够实现高分辨率的神经元成像，在长时间尺度内记录神经元的活动过程。
3. 交错谵妄治疗交错谵妄是一种深度昏迷的状态，需要通过医疗手段来治疗。
一些研究者利用光遗传学技术对反转刺激因子进行光刺激，以冲淡和消除交错谵妄状态。
这项技术能够减轻病人的痛苦，加快康复过程。
三、光遗传学技术的发展前景随着技术的不断进步和完善，光遗传学技术在神经生物学领域的应用将更加广泛。
一方面，技术将进一步提高光刺激和成像的时空分辨率，实现更加精细的神经元调控和成像功能；另一方面，技术的应用领域也将扩大，包括模拟情感调控、神经元成像和药物筛选等方面。
综上所述，光遗传学技术在神经生物学领域中的应用越来越多，将对神经科学的研究产生深远的影响。
光遗传学技术在神经生物学领域的发展及应用_邴杰2014年第49卷第11期生物学通报51光遗传学技术光遗传学技术是一种利用光学原理与基因工程相结合，使特定细胞类群表达或缺失某项功能的新兴实验技术。
基于该项技术目的性强、精确度高等特点，近年来，在复杂的生物学机制尤其是脑科学、神经科学等领域的研究中得到了广泛应用，被《Nature Methods》定义为2010年的年度新兴实验方法［1］，光遗传学技术被誉为21世纪神经生物学最有影响力的技术方法。
1.1光遗传学技术的发展过程光遗传学技术起源于神经生物学，1979年Francis Crick等认为神经生物学领域中面临的最大挑战是：如何在脑神经研究中精确控制一类被研究的神经元而不影响其他周边神经元的功能。
传统研究一般采用的方法是电极刺激或药物处理，然而电极刺激的针对性不强，药物处理作用时间周期太长、作用靶细胞多样等局限性因素，并不能很好地解决此类问题。
在20世纪70年代人们对光激活细胞表达机制还不是很清楚，Crick提出可否用光控制细胞中的特定事件。
40年前，微生物学家发现一些微生物可产生光门控蛋白，能直接调控质膜离子通道，1971年Stoeckenius和Oesterhelt 研究发现细菌视紫红质作为一种离子通道能被光迅速激活，1977年Matsuno-Yagi和Mukohata发现了盐细菌视紫红质，Hegemann等发现了光敏感通道。
传统认为外来膜蛋白对神经细胞具有毒害作用，所以感光蛋白的研究并没有引起神经生物学领域学者的重视。
随着基因工程的发展和绿色荧光蛋白在生命科学领域的广泛应用，通过引进外来吸光复合物对相应蛋白进行研究示踪，人们才把视线重新转移到视蛋白的研究上。
2005年发现了一种微生物视蛋白，该视蛋白在没有添加任何化学或光敏感复合体的情况下就可以极为敏感地响应光刺激。
2010年研究证明通道视紫红质、细菌视紫红质和盐细菌视紫红质蛋白在不同光作用下对神经细胞可以迅速、安全地起到“开关”作用。
