Novel optogenetic tool for noninvasive neuronal inhibition

用于非侵入性神经元抑制的新型光遗传学工具

基本信息

  • 批准号:
    10353090
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 18.06万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-09-01 至 2024-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY/ ABSTRACT This exploratory bioengineering project is aimed at designing, building and testing a light-activated glutamate decarboxylase (GAD) as a novel optogenetic tool for noninvasive inhibition of neuronal activity. GAD produces gamma-aminoburyric acid, GABA, a central neurotransmitter involved in reducing neuronal excitability. Enzy- matic activity of the engineered enzyme will be controlled by light in the near-infrared window (NIRW) of the spectrum (670-900 nm) that penetrates through the skull and brain tissue much better than visible light. We expect the NIRW light-activated GAD (NIRW-GAD) expressed in specific brain regions to be activated via ex- tracorporeal light (e.g., transcranially). NIRW-GAD will represent a unique optogenetic research tool for nonin- vasive, spatiotemporally controlled long-term inhibition of neuronal activity in deep or surface brain regions. In the future, it may be developed into a gene therapy for neurological and psychiatric disorders involving hyper- active brain, such as epilepsy, schizophrenia, anxiety and autism spectrum disorder. The NIRW-GAD protein will be engineered using the homodimeric bacteriophytochrome engineering approach, where bacteriophyto- chromes are a class of photoreceptors that sense light within the NIRW spectrum. In Aim 1, the NIRW-GAD prototypes will be designed and screened for light-inducible GAD activity in yeast. The dynamic range and back- ground activity of the enzyme will be optimized using mutagenesis. In Aim 2, we will examine the NIRW-GAD expression and the effects of NIRW treatment in the somatosensory cortex neurons of mice. We will also quantify the effect of NIRW-GAD on GABAergic synapses and GABA quantal content in cortical neurons in vitro. Upon completion of this project, we expect to have engineered and tested a unique optogenetic tool for noninvasive control of the major inhibitory neurotransmitter in silencing of neuronal activity in mammals. 0
项目概要/摘要 这个探索性生物工程项目旨在设计、构建和测试光激活谷氨酸 脱羧酶(GAD)作为一种新型光遗传学工具,用于非侵入性抑制神经元活动。 GAD 生产 γ-氨基丁酸,GABA,一种参与降低神经元兴奋性的中枢神经递质。酶- 工程酶的活性将由近红外窗口(NIRW)中的光控制 光谱(670-900 nm)比可见光更好地穿透颅骨和脑组织。我们 期望在特定大脑区域表达的 NIRW 光激活 GAD (NIRW-GAD) 通过 ex- 体外光(例如,经颅光)。 NIRW-GAD 将代表一种独特的光遗传学研究工具,适用于非 对深部或表层大脑区域的神经元活动进行广泛的、时空控制的长期抑制。在 未来,它可能会发展成为一种基因疗法,用于治疗涉及过度兴奋的神经和精神疾病。 大脑活跃,如癫痫、精神分裂症、焦虑症和自闭症谱系障碍。 NIRW-GAD 蛋白 将使用同型二聚体细菌光敏色素工程方法进行工程设计,其中细菌光敏色素 铬是一类感光器,可以感知 NIRW 光谱内的光。在目标 1 中,NIRW-GAD 将设计和筛选酵母中光诱导 GAD 活性的原型。动态范围和反向 酶的基本活性将通过诱变进行优化。在目标 2 中,我们将研究 NIRW-GAD 小鼠体感皮层神经元的表达和 NIRW 治疗的影响。我们也会量化 NIRW-GAD 对体外皮质神经元 GABA 能突触和 GABA 量子含量的影响。之上 该项目完成后,我们希望设计并测试一种独特的非侵入性光遗传学工具 控制主要抑制性神经递质沉默哺乳动物的神经元活动。 0

项目成果

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