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【medical-news】创建基因“GPS”系统

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创建基因“GPS”系统，全面定位、追踪抑制性神经元

　　　　　　　　　　　　译者：Docofsoul　　

　　　《每日科学》２０１１年９月22日报道——由美国冷泉港实验室（CSHL）神经科学家组成的一个研究小组成功创建了可定位、追踪关键一类的大脑细胞的类GPS系统（此前无法对这类脑细胞作综合性充分识别，在活体动物内尤其如此。）。

　　遗传标记技术使Huang的研究小组能够对刚离开“出生地”（左图，标记为MGE）的早幼期GABA神经元、及其向小鼠脑皮层的两个层迁移时状态进行成像（右图，MZ跟SVZ）。（图片来源：CSHL）

所涉及的细胞为释放神经递质GABA（γ-氨基丁酸）的一类神经元，其功能为抑制或下调由兴奋性神经元（由谷氨酸之类的神经递质激发）传送的神经信号密度。兴奋性神经元约占哺乳动物大脑皮层全部神经元的80%，但是如果没有数量少得多的GABA神经元在其形成的回路中进行调节性干预的话，就不可能有正常的大脑功能。不受抑制的神经元兴奋将导致类似癫痫的即时抽搐。

一个世纪多以来神经解剖学家一直在尝试绘制脑神经元回路，但由于大脑这一器官在解剖与功能上惊人地复杂，所以这一尝试进展缓慢。研究者已能够绘制秀丽隐杆线虫整组回路。但是，这种小生物只有区区302个神经元，哺乳动物的大脑则有数百万个；而躲在由神经元突出部分——轴突与树突形成的缠结内的至关重要的GABA细胞（遍布哺乳动物的大脑），此前则无法以任何持续一致的方法进行充分确认。

CSHL教授Z. Josh Huang及其神经科学实验室的同事在过去五年内花了很大一部分时间来完成一项计划——全面标注GABA神经元。虽然耗时甚巨，但相关结果已发表于9月22日《Neuron》杂志。这篇论文有可能在神经科学界产生相当影响，因为论文描述了建立表达基因触发器（从而允许科学家通过亚型来非常明确地确认与跟踪GABA神经元、可在活体动物内实时操作）的不同的实验小鼠品系的方法。

可供所有科学家使用的多才多艺的工具包

Ｈuang博士所用方法的名称为“Cre driver lines”（Cre重组酶驱动品系），利用普遍认同并得到广泛应用的Cre/Lox重组技术在大脑皮层的特定类型细胞内创建基因控键（genetic handle）的等价物。已开发出不同小鼠品系，每种品系都表达一种特定基因，从而允许显微镜使用者锁定GABA神经元的特定亚型。他解释说：“关键在于，不同情况下，其‘司机’（“driver”，即“驱动”）是一个我们有所了解的基因。我们知道该基因的表达与GABA神经元的一个子集有关，利用该基因作为一种切入点来表达不同种类的标记。”

　这篇论文描述了以不同的基因工程方式改造过的20种小鼠品系。这些鼠系可用于激发为不同GABA细胞类型帖上标签的分子“记者”，或用于使靶向细胞对彩色激光光束作出响应（光遗传学技术），也让研究者能够跟踪轴突路径（通过与失活的反转录病毒结合使特定GABA 细胞与其它细胞发生关联）。Huang说：“光遗传学与逆转录病毒标记都是非常棒的技术，但其本身不具备细胞类型特异性。我们已经建立了一个系统，将所有这些技术综合运用起来，使之具备高度的特异性。”

而综合运用的结果就是一个工具包翩然现身——并且将扩展，以包括更多的鼠系——以供各地实验室应用，使对抑制性GABA神经元进行全面、系统的探索成为可能。对Huang来说，最令人激动的可能是该工具包提供了观察活体大脑内抑制过程具体运作的机会。

“尽管功能回路如此复杂，但从某种意义上说，我们每活一分钟、一秒种都是大脑大规模水平接受配置的过程；因此，这必然是一个难以置信的、对输入信号持之以恒地作出响应的动态过程。而在信息进入之时，回路在数十毫秒左右的时间尺度上进行调整。

　“可以将抑制性调节想象为指挥神经元组成的合唱团的时空控制系统。这是一个依赖于极为严格的基因程式的系统。由于其结果几乎总是正确，所以可认为这是确切无疑的。但是，基于对神经精神疾病以及其它大脑疾病的观察，我们也知道正确的‘调谐’必然很重要。如果该系统未处于平衡状态，那么，诸如精神分裂症或自闭症或癫痫等严重疾病就会缠身。”

早期发现

　刚发表的这项研究的主要目的在于为神经科学家创建一种资源。Huang的实验室利用最近用基因工程改造过的鼠系观察到了前所未见的现象。在其中一个实验中，研究小组发现，GABA神经元从MGE结构内的“出生地”出发，踏上迁移之途，最终到达皮层内特定位点。Huang对此作了评论：“看起来非常迷人。出生的地方远离皮层　——　打个比方，这好象出生在非洲，然后沿着多种多样、但非常特殊的路径迁移到另一个大陆。只要你象我们这样跟踪观察，就可以看到这些途径不是随机的，而是象高速公路。”

从更广泛的方面看，Huang指出：“我们现在不仅在发育早期就能够观察特定抑制性细胞类型，也能够观察这些类型迁移并建立联系、长出树突、生成突触的过程。我甚至认为该‘基于基因的细胞定位系统’比GPS更胜一筹，因为前者允许我们追踪回路的实际装配的具体过程。”

　　本研究由国家卫生研究院专项拨款。美国国家精神分裂症与抑郁症研究***博士后研究基金、麦克奈特研究基金与西门子研究者奖为参与本研究的科学家提供了部分资金。

参考文献：

1. Hiroki Taniguchi, Miao He, Priscilla Wu, Sangyong Kim, Raehum Paik, Ken Sugino, Duda Kvitsani, Yu Fu, Jiangteng Lu, Ying Lin, Goichi Miyoshi, Yasuyuki Shima, Gord Fishell, Sacha B. Nelson, Z. Josh Huang. A Resource of Cre Driver Lines for Genetic Targeting of GABAergic Neurons in Cerebral Cortex. Neuron, 2011; 71 (6): 995 DOI: 10.1016/j.neuron.2011.07.026

原英文报道：

http://www.sciencedaily.com/releases/2011/09/110921132342.htm

论文地址：

http://www.cell.com/neuron/retrieve/pii/S0896627311006799

Docofsoul译于2011-9-24
译后字数为１９１８个中文字（请加３分）。

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Genetic 'GPS' System to Comprehensively Locate and Track Inhibitory Nerve Cells Created

创建基因“GPS”系统，全面定位、追踪抑制性神经元

　　　　　　　　　　　　译者：Docofsoul　　

ScienceDaily (Sep. 22, 2011) A team of neuroscientists at Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) has succeeded in creating what amounts to a GPS system for locating and tracking a vital class of brain cells that until now has eluded comprehensive identification, particularly in living animals.

　　　《每日科学》２０１１年９月22日报道——由美国冷泉港实验室（CSHL）神经科学家

组成的一个研究小组成功创建了可定位、追踪关键一类的大脑细胞的类GPS系统（此前无法对这类脑细胞作综合性充分识别，在活体动物内尤其如此。）。

Genetic labeling enabled Huang's team to image very young GABA neurons soon after they left the place of their 'birth' (labeled MGE, left image) and as they migrated into two layers of the mouse cortex (MZ and SVZ in image, right). (Credit: CSHL)
　　遗传标记技术使Huang的研究小组能够对刚离开“出生地”（左图，标记为MGE）的早幼期GABA神经元、及其向小鼠脑皮层的两个层迁移时状态进行成像（右图，MZ跟SVZ）。（图片来源：CSHL）

The cells in question are the class of neurons that release the neurotransmitter called GABA (gamma aminobutyric acid). GABA neurons function to inhibit or dial down the intensity of nerve signals propagated by excitatory neurons, which are triggered by neurotransmitters such as glutamate.

Excitatory neurons account for about 80% of all the neurons in the mammalian cortex. But without the modulatory intervention of the much rarer GABA neurons within the circuits they form, normal brain function would be impossible. Uninhibited neuronal excitation would lead to a constant state of seizure something like what is seen, episodically, in epilepsy.

所涉及的细胞为释放神经递质GABA（γ-氨基丁酸）的一类神经元，其功能为抑制或下调由兴奋性神经元（由谷氨酸之类的神经递质激发）传送的神经信号密度。兴奋性神经元约占哺乳动物大脑皮层全部神经元的80%，但是如果没有数量少得多的GABA神经元在其形成的回路中进行调节性干预的话，就不可能有正常的大脑功能。不受抑制的神经元兴奋将导致类似癫痫的即时抽搐。

Neuroanatomists have been trying to map the brain's circuitry for well over a century, but the organ's astonishing complexity -- anatomical and functional -- has insured that progress has been slow. Researchers have been able to map the entire set of circuits in the roundworm C. elegans. But that humble creature has only 302 neurons. The brains of mammals have millions of neurons, and within the tangle formed by their projections, called axons and dendrites, one finds those vital GABA cells, which until now could not be identified globally, throughout the mammalian brain.

一个世纪多以来神经解剖学家一直在尝试绘制脑神经元回路，但由于大脑这一器官在解剖与功能上惊人地复杂，所以这一尝试进展缓慢。研究者已能够绘制秀丽隐杆线虫整组回路。但是，这种小生物只有区区302个神经元，哺乳动物的大脑则有数百万个；而躲在由神经元突出部分——轴突与树突形成的缠结内的至关重要的GABA细胞（遍布哺乳动物的大脑），此前则无法以任何持续一致的方法进行充分确认。

CSHL Professor Z. Josh Huang and colleagues in his neuroscience lab have spent portions of the last five years working on a project to comprehensively label GABA neurons. The results of their highly time-consuming labors are described in a paper appearing Sept. 22 in the journal Neuron. The paper is likely to be influential in the neuroscience community since it describes the creation of different lines of mice expressing genetic triggers that enable GABA neurons to be identified very specifically, by subtype, and to be tracked and manipulated in real time in living animals.

CSHL教授Z. Josh Huang及其神经科学实验室的同事在过去五年内花了很大一部分时间来完成一项计划——全面标注GABA神经元。虽然耗时甚巨，但相关结果已发表于9月22日《Neuron》杂志。这篇论文有可能在神经科学界产生相当影响，因为论文描述了建立表达基因触发器（从而允许科学家通过亚型来非常明确地确认与跟踪GABA神经元、可在活体动物内实时操作）的不同的实验小鼠品系的方法。

A multi-faceted toolkit for all scientists to use

可供所有科学家使用的多才多艺的工具包

Called "Cre driver lines," Dr. Huang's approach makes use of a well-established and widely used technique called Cre-Lox recombination to create the equivalent of genetic handles in specific types of cells within the cerebral cortex. Different strains of mice have been developed, each to express a particular gene or genes that enable microscopists to home in on particular subtypes of GABA neurons. The key, Huang explains "is that the 'driver' in each case is a gene that we know something about. We know its expression correlates with a subset of GABA neurons. We use that gene as a kind of entry point to express various kinds of markers."

Ｈuang博士所用方法的名称为“Cre driver lines”（Cre重组酶驱动品系），利用普遍认同并得到广泛应用的Cre/Lox重组技术在大脑皮层的特定类型细胞内创建基因控键（genetic handle）的等价物。已开发出不同小鼠品系，每种品系都表达一种特定基因，从而允许显微镜使用者锁定GABA神经元的特定亚型。他解释说：“关键在于，不同情况下，其‘司机’（“driver”）是一个我们有所了解的基因。我们知道该基因的表达与GABA神经元的一个子集有关，利用该基因作为一种切入点来表达不同种类的标记。”

The current paper describes 20 mouse lines that have been engineered in various ways. These can be used to activate molecular "reporters" that label different GABA cell types, or to make the targeted cells responsive to beams of colored laser light -- a technique called optogenetics. They also enable researchers to follow axonal paths that connect particular GABA cells with other cells by incorporating deactivated retroviruses. "Optogenetics and retroviral labeling are wonderful techniques, but they are not, by themselves, cell-type specific. We've built a system that integrates all of these technologies, which can now be mobilized with exquisite specificity," Huang says.

　这篇论文描述了以不同的基因工程方式改造过的20种小鼠品系。这些鼠系可用于激发为不同GABA细胞类型帖上标签的分子“记者”，或用于使靶向细胞对彩色激光光束作出响应（光遗传学技术），也让研究者能够跟踪轴突路径（通过与失活的反转录病毒结合使特定GABA 细胞与其它细胞发生关联）。Huang说：“光遗传学与逆转录病毒标记都是非常棒的技术，但其本身不具备细胞类型特异性。我们已经建立了一个系统，将所有这些技术综合运用起来，使之具备高度的特异性。”

The net result is a toolkit -- which will grow to include more mouse lines -- for the use of experimentalists in labs everywhere, and which enables comprehensive and systematic exploration of inhibitory GABA neurons. Perhaps most exiting to Huang is the opportunity to view the manner in which inhibition functions in a living brain.

而综合运用的结果就是一个工具包翩然现身——并且将扩展，以包括更多的鼠系——以供各地实验室应用，使对抑制性GABA神经元进行全面、系统的探索成为可能。对Huang来说，最令人激动的可能是该工具包提供了观察活体大脑内抑制过程具体运作的机会。

"The functional circuit, even though it is so complex, is in a sense being configured every second, every minute that we live, and on a massive scale within the brain. It has to be incredibly dynamic, responding to incoming inputs continuously. As this information is coming in, the circuit is adjusting within a time scale on the order of tens of milliseconds.

“尽管功能回路如此复杂，但从某种意义上说，我们每活一分钟、一秒种都是大脑大规模水平接受配置的过程；因此，这必然是一个难以置信的、对输入信号持之以恒地作出响应的动态过程。而在信息进入之时，回路在数十毫秒左右的时间尺度上进行调整。

"You can think of the inhibitory modulation as a system of control for ensembles of neurons, both in spatial and temporal terms. It's a system that must depend upon a very stringent genetic program -- we can assume this is true since the outcome is almost always right. But we also know how important the proper 'tuning' must be, based on our observations of neuropsychiatric and other brain illnesses. If the system is not in balance, you can have major illnesses such as schizophrenia or autism or epilepsy."

　“可以将抑制性调节想象为指挥神经元组成的合唱团的时空控制系统。这是一个依赖于极为严格的基因程式的系统。由于其结果几乎总是正确，所以可认为这是确切无疑的。但是，基于对神经精神疾病以及其它大脑疾病的观察，我们也知道正确的‘调谐’必然很重要。如果该系统未处于平衡状态，那么，诸如精神分裂症或自闭症或癫痫等严重疾病就会缠身。”

Early discoveries
早期发现

While the main purpose of the work just published was to create a resource for neuroscientists, the Huang lab's first experiments with newly engineered mouse lines have enabled them to see things never before seen. In one experiment, the CSHL team has been able to track the migration of GABA neurons from the site of their "birth" in a structure called the MGE (medial ganglionic eminence), along a route that takes them to specific spots within the cortex. "It's fascinating," says Huang. "They are generated far outside the cortex -- to make an analogy, it's as if they were born in Africa and take various but very specific routes to another continent. Once you track them, as we have, you can see these paths are not random; they are like highways."

　刚发表的这项研究的主要目的在于为神经科学家创建一种资源。Huang的实验室利用最近用基因工程改造过的鼠系观察到了前所未见的现象。在其中一个实验中，研究小组发现，GABA神经元从MGE结构内的“出生地”出发，踏上迁移之途，最终到达皮层内特定位点。Huang对此作了评论：“看起来非常迷人。出生的地方远离皮层　——　打个比方，这好象出生在非洲，然后沿着多种多样、但非常特殊的路径迁移到另一个大陆。只要你象我们这样跟踪观察，就可以看到这些途径不是随机的，而是象高速公路。”

More generally, says Huang, "Not only can we now watch specific inhibitory cell types from early in development; we can also watch as they migrate and establish connections, grow dendrites, make synapses. I would argue this 'Gene-based cell Positioning System' is even better than GPS, because it allows us to track how the circuits actually assemble."

从更广泛的方面看，Huang指出：“我们现在不仅在发育早期就能够观察特定抑制性细胞类型，也能够观察这些类型迁移并建立联系、长出树突、生成突触的过程。我甚至认为该‘基于基因的细胞定位系统’比GPS更胜一筹，因为前者允许我们追踪回路的实际装配的具体过程。”
　This research was supported by grants from the National Institutes of Health. Participating scientists were sustained in part by a NARSAD postdoctoral fellowship, a McKnight Fellowship and a Simons Investigator award.

　　本研究由国家卫生研究院专项拨款。美国国家精神分裂症与抑郁症研究***博士后研究基金、麦克奈特研究基金与西门子研究者奖为参与本研究的科学家提供了部分资金。　

Journal Reference:
参考文献：

2. Hiroki Taniguchi, Miao He, Priscilla Wu, Sangyong Kim, Raehum Paik, Ken Sugino, Duda Kvitsani, Yu Fu, Jiangteng Lu, Ying Lin, Goichi Miyoshi, Yasuyuki Shima, Gord Fishell, Sacha B. Nelson, Z. Josh Huang. A Resource of Cre Driver Lines for Genetic Targeting of GABAergic Neurons in Cerebral Cortex. Neuron, 2011; 71 (6): 995 DOI: 10.1016/j.neuron.2011.07.026

原英文报道：
http://www.sciencedaily.com/releases/2011/09/110921132342.htm

论文地址：
http://www.cell.com/neuron/retrieve/pii/S0896627311006799

Docofsoul译于2011-9-24

译后字数为１９１８个中文字（请加３分）。

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2011-09-24 14:25 浏览 : 1137 回复 : 0

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Docofsoul 编辑于 2011-09-24 14:46

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