"Magneto"-eiwit: genetisch gemanipuleerd om hersenen en gedrag onder controle te houden

Onderzoekers in de Verenigde Staten hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het aansturen van de hersencircuits die samenhangen met complex diergedrag. Ze gebruiken genetische manipulatie om een ​​gemagnetiseerd eiwit te creëren dat specifieke groepen zenuwcellen op afstand activeert.

Begrijpen hoe de hersenen gedrag genereren, is een van de ultieme doelen van de neurowetenschap - en een van de moeilijkste vragen. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers een aantal methoden ontwikkeld waarmee ze bepaalde groepen neuronen op afstand kunnen besturen en de werking van neuronale circuits kunnen onderzoeken.

De krachtigste hiervan is een methode genaamd optogenetics, waarmee onderzoekers populaties van gerelateerde neuronen kunnen in- of uitschakelen op een tijdschaal van milliseconde per milliseconde met pulsen van laserlicht. Een andere recent ontwikkelde methode, genaamd chemogenetica, maakt gebruik van gemanipuleerde eiwitten die worden geactiveerd door designergeneesmiddelen en kunnen worden gericht op specifieke celtypen.

Hoewel krachtig, hebben beide methoden nadelen. Optogenetica is invasief en vereist het inbrengen van optische vezels die de lichtpulsen in de hersenen afgeven en bovendien is de mate waarin het licht het dichte hersenweefsel binnendringt, ernstig beperkt. Chemogenetische benaderingen overwinnen beide beperkingen, maar induceren doorgaans biochemische reacties die enkele seconden duren om zenuwcellen te activeren.

De nieuwe techniek, ontwikkeld in Ali Guler's lab aan de Universiteit van Virginia in Charlottesville, en beschreven in een voorafgaande online publicatie in het tijdschrift Nature Neuroscience, is niet alleen niet-invasief, maar kan ook neuronen snel en omkeerbaar activeren.

Verschillende eerdere onderzoeken hebben aangetoond dat zenuwceleiwitten die worden geactiveerd door hitte en mechanische druk genetisch kunnen worden gemanipuleerd zodat ze worden gevoelig voor radiogolven en  magnetische veldendoor ze te hechten aan een ijzer-opslaand eiwit genaamd ferritine, of aan anorganische paramagnetische deeltjes. Deze methoden betekenen een belangrijke vooruitgang – ze zijn bijvoorbeeld al gebruikt om reguleren van de bloedglucosespiegels bij muizen – maar omvatten meerdere componenten die afzonderlijk moeten worden ingevoerd.

De nieuwe techniek bouwt voort op dit eerdere werk en is gebaseerd op een eiwit genaamd TRPV4, dat gevoelig voor zowel temperatuur en  uitrekkende krachten. Deze stimuli openen de centrale porie, waardoor elektrische stroom door het celmembraan kan stromen; dit roept zenuwimpulsen op die naar het ruggenmerg gaan en vervolgens naar de hersenen.

In vivo manipulatie van het gedrag van zebravissen met Magneto. Zebravislarven vertonen oprolgedrag in
reactie op gelokaliseerde magnetische velden. Van Wheeler c.s. (2016).

Güler en zijn collega's redeneerden dat magnetische torsie (of roterende) krachten TRPV4 zouden kunnen activeren door de centrale porie open te trekken, en daarom gebruikten ze genetische manipulatie om het eiwit te fuseren met het paramagnetische gebied van ferritine, samen met korte DNA-sequenties die cellen signaleren om te transporteren eiwitten naar het zenuwcelmembraan en steek ze erin.

Toen ze dit genetische construct introduceerden in menselijke embryonale niercellen die in petrischalen groeiden, synthetiseerden de cellen het 'Magneto'-eiwit en stopten het in hun membraan. Toepassing van een magnetisch veld activeerde het gemanipuleerde TRPV1-eiwit, zoals blijkt uit tijdelijke verhogingen van de calciumionconcentratie in de cellen, die werden gedetecteerd met een fluorescentiemicroscoop.

Vervolgens plaatsten de onderzoekers de Magneto-DNA-sequentie in het genoom van een virus, samen met het gen dat codeert voor groen fluorescerend eiwit, en regulerende DNA-sequenties die ervoor zorgen dat het construct alleen tot expressie wordt gebracht in gespecificeerde soorten neuronen. Vervolgens injecteerden ze het virus in de hersenen van muizen, gericht op de entorhinale cortex, en ontleedden de hersenen van de dieren om de cellen te identificeren die groene fluorescentie uitstraalden. Met behulp van micro-elektroden toonden ze vervolgens aan dat het toepassen van een magnetisch veld op de hersenschijfjes Magneto activeerde, zodat de cellen zenuwimpulsen produceren.

Om te bepalen of Magneto kan worden gebruikt om neuronale activiteit bij levende dieren te manipuleren, injecteerden ze Magneto in zebravislarven, gericht op neuronen in de romp en staart die normaal een ontsnappingsreactie regelen. Vervolgens plaatsten ze de zebravislarven in een speciaal gebouwd gemagnetiseerd aquarium en ontdekten dat blootstelling aan een magnetisch veld kronkelende manoeuvres veroorzaakte die vergelijkbaar waren met die tijdens de ontsnappingsreactie. (Bij dit experiment waren in totaal negen zebravislarven betrokken, en daaropvolgende analyses onthulden dat elke larve ongeveer 5 neuronen bevatte die Magneto tot expressie brengen.)

Lees hier het hele verhaal ...