Genetic dissection of neural circuits

doi:10.1016/j.neuron.2008.01.002

审查

.2008年3月13日；57(5):634-60.

doi:10.1016/j.neuron.2008.01.002。

神经回路的遗传解剖

利群·罗¹, 爱德华·M·卡拉威, 卡罗·斯弗波达

附属公司

PMID： 18341986
预防性维修识别码：项目经理2628815
内政部： 10.1016/j.neuron.2008.01.002

审查

神经回路的遗传解剖

利群·罗等。神经元. 2008.

.2008年3月13日；57(5):634-60.

doi:10.1016/j.neuron.2008.01.002。

作者

利群·罗¹, 爱德华·M·卡拉威, 卡罗·斯弗波达

附属

¹美国加州斯坦福大学霍华德·休斯医学院生物系，邮编94305。

PMID： 18341986
预防性维修识别码：项目经理2628815
内政部： 10.1016/j.neuron.2008.01.002

摘要

要理解神经回路中的信息处理原理，就需要系统地描述参与细胞的类型及其连接，以及测量和干扰其活动的能力。基因方法有望为复杂的神经系统带来实验途径，包括苍蝇和老鼠等基因坚定者，也包括灵长类等非基因系统。结合解剖学和生理学方法，蛋白质标记物、传感器和传感器的细胞类型特异性表达对于构建电路图和测量基因定义神经元的活动至关重要。基因定义的细胞类型的失活和激活将在特定神经元组的活动、回路功能和动物行为之间建立因果关系。因此，基因分析有望揭示复杂大脑中引导行为的神经回路的逻辑。在这里，我们回顾了神经回路遗传分析的进展，并讨论了未来研究和发展的方向。

PubMed免责声明

数字

**图1。神经和基因网络**
（A） 302个神经元之间连接的完整接线图*秀丽线虫*，由连续切片EM重建。描绘的是单个神经元及其连接。有关更多详细信息，请参阅http://www.wormatlas.org/handbook/nshandbook.htm/nswiring.htm由D.Chklovskii提供。（B）协调海胆胚胎早期内胚层发育的基因交互网络图。描述了个体基因及其调控关系。有关更多详细信息，请参阅http://sugp.caltech.edu/endomes/由E.Davidson提供。

**图2。靶向基因表达的方法**
Box为（a）–（G）中的符号提供了词汇表。有关更多详细信息，请参阅文本。（A）在拟模拟表达的基因的增强子/启动子的控制下表达感兴趣的靶基因的编码序列的简单转基因方法。（B）细菌人工染色体（BAC）介导的转基因表达。（C）整合-介导，在一个确定的染色体位点对转基因进行定向整合。（D）感兴趣的目标基因在要模拟其表达的基因的内源性位点的敲除。（E）增强子陷阱方法，该方法允许感兴趣的目标基因受其染色体整合位点附近增强子元件的控制。（F）增强子攻击，创造内源性基因的亚群表达模式。（G）转基因表达的限制可能是由于阻遏因子和整合位点的染色质结构被捕获。（H）在BAC对结缔组织生长因子（ctgf）的控制下表达GFP的转基因小鼠。在大脑皮层，6b层神经元的亚群被标记。这些神经元的轴突跨越所有皮质层，其功能尚不清楚。H（H）₂，细胞体；H（H）_三轴突投射。有关更多详细信息，请参阅http://www.gensat.org（英文）/由N.Heintz提供。

**图3。基因表达的二元和交叉方法**
下面的方框提供了（a）–（G′）中符号的词汇表。（A）酵母转录因子Gal4与UAS结合，激活启动子A激活的细胞中的靶基因T表达。同样的方案也适用于其他基于转录因子/结合位点的二进制表达系统。（B） Cre/loxP介导的重组消除了转录停止，使靶基因T在启动子A和C都活跃的细胞中表达。启动子C通常是通用的组成成分；如果启动子C也是特异性的，它可以提供与启动子A的交叉限制。Cre可以被紫杉昔芬诱导的CreER取代，以控制重组的时间和数量。同样的方案也适用于其他定点重组系统，如Flp/FRT。（C） Cre/loxP和Flp/FRT重组系统的组合允许感兴趣的目标基因在启动子A和B（和C）都活跃的细胞中表达。（D） Gal4/UAS和Flp/FRT的结合允许感兴趣的目标基因在启动子A和B都活跃的细胞中表达。Gal4/UAS可以被其他二进制表达系统取代；Flp/FRT可以被其他重组系统取代。（E）交叉法，利用Gal4 N端和C端部分的重建。（F）靶基因在启动子A活性但启动子B活性不高的细胞中表达，因为Gal80抑制Gal4活性。（G和G′）四环素诱导的目标基因T.Dox的转录，强力霉素，四环素类似物。（H–I）使用MARCM方法限制基因在遗传鉴定的单个细胞中表达的示例（见正文）*果蝇属*三只苍蝇的三个嗅觉投射神经元（PN）将树突发送到DL1肾小球（H₀)在高级嗅觉中枢、蘑菇体（MB），尤其是侧角（LH）（H₁–H_三). 同样，三个PN向VA1lm肾小球发送树突（I₀)表现出定型的轴突终末（I₁–I_三)与DL1 PN不同。绿色：标记单个PNs的树突和轴突投射的mCD8-GFP；品红：mAB nc82染色，染色神经膜结构。修改自Marin等人，2002年。

**图4。病毒介导的基因表达**
（A）产生辅助性无病毒病毒载体。天然病毒基因组包括致病基因（粉红色）的编码序列以及产生病毒蛋白所需的基因，包括有助于遗传物质复制（深蓝色）和病毒颗粒结构（绿色）的基因。这些基因的两侧是顺式-作用元件（洋红），提供复制来源和封装信号。包装构造只包括复制和结构基因所需的基因。矢量仅包括顺式元件（洋红），需要将其并入载体颗粒，再加上包含转录调控元件（例如启动子）和转基因编码序列的转基因盒（浅蓝色）。为了生产重组载体，将包装结构和载体结构转染包装细胞。复制的载体基因组被整合到病毒颗粒中，从而产生重组病毒载体。摘自Verma和Weitzman（2005）。（B）病毒载体的假分型可以改变病毒的嗜性。病毒载体通过修改包装结构和用其他病毒（红色）的结构基因替换本地病毒（绿色）的结构基因组来进行假分型。对于假分型非包膜病毒，如AAV，相关的结构蛋白是衣壳。对于慢病毒和单纯疱疹病毒等包膜病毒，相关的结构蛋白是包膜蛋白。选择性感染可以通过与仅存在于特定细胞亚群上的细胞表面受体相互作用的包膜或衣壳进行假分型来实现。

**图5。脑切片中的功能电路映射方法**
（A）电路映射技术的空间范围。这些框指示不同方法可访问的长度刻度。红盒，20μm，三维电子显微镜重建；绿色盒子，200μm，成对记录；蓝色盒子，1000μm，激光扫描光刺激，谷氨酸开盖和光学探测；紫色盒子，可能是整个大脑，轴突追踪和ChR2辅助的电路绘图。重建是一个2/3层锥体神经元叠加在猫视觉皮层的示意图上（J.Hirsh，USC）。枝晶呈红色；轴突，黑色。（B）谷氨酸去壳映射。示意图显示了一个大脑切片，其中单个神经元（红色）记录了突触反应。神经元通过笼状谷氨酸的光解而兴奋，通常是通过在大脑切片（蓝线）上扫描紫外线激光来实现的。如果谷氨酸在胞体附近（而不是在远端树突或轴突上）发生光释放，它就会激发动作电位。记录在神经元中的突触后全细胞电流（或电位）被用于在计算机中生成映射。这个所谓的“突触输入图”是对记录神经元的突触输入空间分布的定量表示。（C和D）使用谷氨酸去俘获映射来测量撞击遗传定义的GABA能中间神经元的兴奋性输入的空间分布（X.Xu和E.C.，未发表的数据）。（C）新皮层2/3层记录神经元的形态学。GFP荧光上覆盖Cy3链霉亲和素标记的细胞内注射的生物细胞素（顶部）。（底部）记录的神经元的放电模式。（D） Synaptic输入图显示了第4层和第2/3层的输入热点。右侧的痕迹是在1号和2号部位刺激后诱发的兴奋性突触后电流的例子。（E） ChR2辅助电路映射。一个特定的神经元亚群被定位于ChR2（绿色）的表达。ChR2阳性神经元（2）和轴突（3）被扫描大脑切片（蓝线）的蓝色激光激发，而ChR2阴性神经元则不受干扰（1）。突触后全细胞电流（或电位）用于在计算机中生成映射。ChR2辅助回路定位具有遗传特异性，因为ChR2的表达是激发动作电位所必需的。此外，由于切断的轴突可以被激活（3），甚至可以在脑切片中研究大脑远端区域之间的连接。（F）光学探测。所有神经元都富含钙²⁺指示器。一个神经元受到动作电位短暂爆发的刺激。可使用[Ca检测到激发动作电位的突触后神经元²⁺]成像。

**图6。用[Ca成像遗传特定神经元群的策略²⁺]指示器**
（A）所有神经元都被标记为非歧视性的，用[Ca进行批量加载²⁺]指示器（漫反射绿色）。一组基因指定的神经元表达荧光蛋白（黄色）。（B） [加利福尼亚州²⁺]小鼠GABA能中间神经元表达GFP的成像。（上图）显示神经元大量负载[Ca²⁺]指示器。GFP荧光以绿色覆盖。（底部）GFP阴性和GFP阳性（GABA能）神经元对定向条的反应。修改自Sohya等人，2007年。（C）一个基因指定的神经元亚群表达一种蛋白质（如四胱氨酸基序；蓝色），使其容易被修饰的[Ca²⁺]指示器（如偏色；绿色）。（D）基因指定的神经元亚群表达基因编码的[Ca²⁺]指示灯（绿色）。（E–G）对黑色素瘤Kenyon细胞的气味刺激活性进行成像*果蝇属*使用基因编码[Ca的蘑菇体²⁺]体内指示剂（G-CaMP1.3）。（E） G-CaMP荧光显示蘑菇体。（F）对相同气味的两种反应（不同图像；气味开始后2秒减去基线）。两个凯尼恩细胞表现出强烈的活性。（G） G-CaMP响应的时间进程。修改自Wang等人，2004。

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