¿Cómo funciona la optogenética?

Respuesta corta

La optogenética se puede utilizar para hacer que las células respondan a la luz. Un uso sorprendente de esta tecnología es restaurar la visión en los ciegos al hacer que las neuronas sobrevivientes en la retina sean sensibles a la luz. Esto se puede hacer mediante la transfección de la retina con virus modificados genéticamente que inducen la expresión de proteínas bacterianas canalrodopsina en las neuronas de la retina.

Fondo

Explicaré la optogenética centrándome en una de las aplicaciones más llamativas: hacer ver a los ciegos. En los humanos, la luz es detectada por fotorreceptores en la retina ( consulte la lectura adicional n.º 2 ). Los bastones infieren visión en escala de grises (es decir, visión nocturna), mientras que los conos proporcionan visión en color cuando hay suficiente luz disponible. Los bastones y los conos contienen proteínas sensibles a la luz: los fotopigmentos . El pigmento en los fotorreceptores de varilla se llama rodopsina., en conos se denominan pigmentos de cono, que se utilizan para la visión del color. Cuando la luz golpea los bastones y los conos, los fotopigmentos captan la luz y activan una cascada de reacciones de segundos mensajeros, lo que finalmente provoca la hiperpolarización de la membrana. Esta hiperpolarización, a su vez, activa las neuronas secundarias en la retina, que finalmente llevan la señal del receptor al cerebro, donde se procesa y se utiliza para generar una percepción visual.

La detección de luz en animales unicelulares y multicelulares está mediada por dos grandes familias de proteínas: las opsinas . Los genes de opsina se dividen en dos superfamilias distintas: opsinas microbianas (tipo I) y opsinas animales (tipo II). Los pigmentos de rohodpsina y cono que se encuentran en humanos pertenecen al tipo II. Entre otras diferencias, las opsinas de tipo I están unidas a los canales iónicos, mientras que las de tipo II no lo están. Por lo tanto, las opsinas de tipo II necesitan una batería de moléculas intracelulares de segundos mensajeros para funcionar. Por el contrario, las opsinas de tipo I, al ser proteínas de canal, provocan directamente cambios intracelulares al cambiar el potencial de membrana tras la activación debido al flujo de iones. Las opsinas de tipo I, que son proteínas de canal, se denominan rodopsinas de canal .

En las enfermedades degenerativas de la retina, como la retinitis pigmentosa (RP), los fotorreceptores se degeneran y los pacientes finalmente pierden la visión. Sin embargo, las neuronas secundarias de la retina sobreviven parcialmente. Como se explicó anteriormente, estas neuronas secundarias son las encargadas de procesar la señal del fotorreceptor y enviarla al nervio óptico. Por lo tanto, aunque los pacientes con RP pierden los fotorreceptores, ¡el resto de la vía visual está lista para funcionar! Por lo tanto, de alguna manera estas neuronas deberían activarse. Hay una batería de enfoques para hacer precisamente esto. Los implantes de retina activan las neuronas directamente por activación eléctrica ( consulte la lectura adicional n.º 3 ).

La optogenética ( Fenno et al., 2013 ) es otro enfoque en el que las neuronas supervivientes secundarias se vuelven fotosensibles , evitando así los fotorreceptores al convertir las neuronas secundarias en fotorreceptores. Las neuronas se vuelven fotosensibles haciéndolas expresar canalrodospinas. Esto se hace inyectando un vector viral en el ojo de modo que el virus infecte las células de la retina. Sin embargo, en lugar de un virus viable, se modifica y lo único que hace el virus es incorporar la canalrodopsina en el genoma de las neuronas, que comienzan a expresarla.

Las canalrodopsinas son canales de cationes y, por lo tanto, tras la activación de la luz, permiten que entren en la célula iones cargados positivamente (sobre todo Na ⁺ , pero también Ca ⁺ ). Esto despolariza la neurona y puede inducir la activación del potencial de acción ( consulte la lectura adicional n.º 1 ). Los potenciales de acción son la forma neuronal de transmitir señales al cerebro. Por lo tanto, al activar las neuronas secundarias a través de la transformación de la canalrodopsina, comienzan a enviar actividad neuronal inducida por la luz al cerebro. El cerebro manejará esta entrada como si fuera evocada por fotorreceptores y, por lo tanto, la interpretará como estímulos visuales evocados por la luz.

Con respecto al cáncer: se ha demostrado que la expresión de canalrodopsina y la iluminación de ratones completos dieron como resultado una disminución del recuento de células cancerosas subcutáneas (yang et al., 2013) .

Con respecto a su primera pregunta adicional: dependiendo de las secuencias reguladoras de péptidos exactas agregadas a la proteína, o mediante el uso de vectores virales dirigidos específicamente a los axones, la expresión de canalrodopsinas puede ocurrir donde uno quiera .

Su segunda pregunta adicional: los canales de cationes activan las neuronas, los canales de aniones las inhiben. Esto significa que puedes jugar con diferentes variantes para controlar las neuronas a voluntad.

Referencias
Fenno et al. Annu Rev Neurosci 2011;34:389–412
Yang et al. Muerte celular y enfermedad 2013; 4 :e893

Lecturas adicionales
1. Potenciales de acción y neuronas: cómo-el-cerebro-y-los-nervios-crean-pulsos-eléctricos
2. Fotorreceptores: paralelos-entre-la-imagen-pixelizada-y-la-retina-humana
3. Retina y retinal implantes: la-retina-codifica-información-visual-como-un-mapa-de-bits-o-un-svg

Adición a la respuesta anterior.

¿Cómo se expresan las canalrodopsinas en las neuronas?

Aparte del método que involucra la inyección viral directa, como se describe en la respuesta anterior, estas proteínas se pueden expresar en células específicas al hacer transgénicos (usando promotores que expresarán el gen corriente abajo solo en células específicas).

¿Como funciona?

Cuando una neurona se vuelve sensible a la luz por la expresión ectópica de las rodopsinas de los canales, entonces se pueden "disparar" (generar un potencial de acción ) mediante una simple iluminación. La fibra óptica se utiliza para iluminar neuronas específicas en el cerebro. Vea la imagen a continuación:

¿Las moléculas sensibles a la luz (que ahora he leído son canalrodopsinas) están presentes a lo largo del axolema...

Se expresarían en todas partes, pero su expresión en los axones puede verse limitada debido a la mielinización. Es posible hacer que ciertas proteínas se expresen en la región dendrítica. Esto requiere señales de localización llamadas códigos postales (este proceso aún no se entiende muy bien).

Entonces, ¿cómo pueden funcionar estos canales, si cualquier catión puede difundirse de cualquier manera a través del canal?

Chr2 puede conducir Na ⁺ , Ca ²⁺ y K ⁺ . Su conductividad para el sodio es mayor que para el potasio. Cuando los canales se abren, el mayor flujo de entrada de sodio desencadenaría un potencial de acción (AP). Además, el calcio también ayuda a fortalecer el AP. Aunque el canal puede conducir Li ⁺ , el ion no está presente en el líquido extracelular. Por lo general, los canales no específicos no se utilizan.

Además, me preguntaba si el principio detrás de la optogenética (controlar las llamadas con luz) podría usarse para otros tratamientos, por ejemplo, para matar células cancerosas.

La luz (como los láseres) se usa para matar las células cancerosas, pero no involucra técnicas optogenéticas. Primero tendría que modificar genéticamente la célula cancerosa.