化學遺傳學是指：對一些生物大分子實行改造，使其能和先前無法識别的小分子進行相互作用的過程。化學遺傳學和分子遺傳學一樣，均是遺傳學的一個分支，由于其可控的、可逆的（可以随時加入或除去化合物，從而啟動或中斷特定的反應）特性，已經在信号轉導、藥物開發、功能基因組學等方面的研究中得到了廣泛的應用。

目前已改造的生物大分子包括核酸雜交、蛋白質激酶、各種代謝酶和G蛋白耦聯受體（G protein–coupled receptors，GPCRs）。現在有很多基于GPCRs改造的化學遺傳學平台，例如基因編碼受體的等位基因特異激活（allele-specific activation of genetically encoded receptors）、隻能被合成配體激活的受體（receptors activated solely by synthetic ligands, RASSLs）、基因工程改造的受體（engineered receptors）和隻由特定藥物激活的受體（designer receptors exclusively activated by designer drugs，DREADDs）。其中，DREADDs已成為應用最廣泛的化學遺傳學技術，本文也将主要讨論DREADDs技術。

DREADDS技術

現在有很多由疊氮平-N-氧化物（clozapine-N-oxide，CNO）激活的DREADDs，他們會選擇性地作用于不同的GPCR級聯反應，包括激活Gq、Gi、Gs、Golf和β-arrestin，其中應用最廣泛的是Gq-DREADD和Gi-DREADD。

1.  Gq-DREADD和hM3Dq

最初的Gq-DREADD即hM3Dq改造自人毒蕈堿型乙酰膽堿受體（the human muscarinic acetylcholine receptor，mAchRs）亞型M3（也稱為hM3）。在正常生理狀況下，hM3和乙酰膽堿結合，然後和Gq類G蛋白耦合受體耦合，作用于磷脂酶C、肌醇三磷酸和胞内鈣離子這一信号通路（如圖1）。令人吃驚地是，隻要将Y3.33C和A5.46這兩個位點突變，就能使hM3受體不能和乙酰膽堿耦合，但是會和納摩爾濃度級别的CNO結合，這種突變後的hM3受體被命名為hM3Dq (human M3 muscarinic DREADD receptor coupled to Gq)。由于Y3.33和A5.46在不同的人毒蕈堿型乙酰膽堿受體亞型中是保守的，M1和M5也已經被成功改造為Gq-DREADD（hM1Dq和hM5Dq）。但是到目前為止，hM3Dq仍然是應用最多的Gq-DREADD。在不同的細胞類型中，CNO誘導hM3Dq的結果是不一樣的，比如：

1)  在成熟神經元中，CNO誘導hM3Dq的結果是将神經元去極化（depolarization），加強神經元的興奮性，這也是hM3Dq最常用的功能，即促使神經元的放電活動；

2)  在星形膠質細胞中，有人報道CNO誘導hM3Dq的結果是增加星形膠質細胞Ca+的釋放，從而改變自主神經系統的生理條件；

3)  在神經系統以外，也有一些研究，例如在胰腺Β細胞表達hM3Dq，急性CNO處理會促進胰島素的釋放，而慢性CNO處理導緻Β細胞數目增加；在肝細胞中，激活hM3Dq會增加血糖水平，也許是因為糖原分解和糖異生作用增加。

圖1. hM3和乙酰膽堿結合，作為信号分子激活Gq耦聯的GPCRs信号通路

2.  Gi-DREADD和hM4Di

Y3.33和A5.46在不同的人毒蕈堿型乙酰膽堿受體亞型中是保守的，因此科學家同樣可以突變M2和M4 mAchRs上的Y3.33、A5.46位點，産生Gi- DREADDs，命名為hM2Di和hM4Di，他們可以激活Gi調節的信号通路（如圖2）。因為Gi耦合的GPCRs可以激活G蛋白内向整流鉀通道（内向整流鉀離子通道，GIRK），所以hM2Di和hM4Di可以抑制神經元的放電活動，其中使用最多的Gi-DREADD是hM4Di。也有研究表明，hM4Di可以抑制神經遞質的釋放，從而達到抑制神經元活動的效果。

圖2. hM4和乙酰膽堿結合，作為信号分子激活Gi耦聯的GPCRs信号通路

DREADDs技術的研究步驟

DREADDs技術的應用主要包括以下幾個關鍵步驟（如圖3）：

1.  根據實驗目的，确定合适的DREADDs受體：一般來說，如果是想激活神經元，則選擇hM3Dq，如果是想抑制神經元的活性，則選擇hM4Di；

2.  将遺傳信息導入到動物體内：一般通過病毒注射或者轉基因動物的方式将遺傳信息傳遞給靶細胞；

圖3. DREADDs實驗基本步驟

3.  可控性演示：即通過控制CNO的給藥時間，實現對細胞神經元活動的控制；

4.  實驗方法的有效性驗證：一般采用電極記錄神經元細胞膜内外電壓變化，以此來驗證DREADDs受體的有效性；

5.  表型檢測：通過實驗确認激活或者抑制神經元活動給實驗動物帶來的影響。

DREADDs技術的優缺點

作為兩種最常見的控制神經元活動的技術，optogenetics（光遺傳學）和DREADDs技術之間各有優缺點，下面我們就以光遺傳學為參照對象，談談DREADDs技術的優缺點。

1.  DREADDs技術的優點主要有：

1）  實驗要求較低：如果要使用光遺傳技術，需要準備很多配件，例如光纖、激光控制器和導管等等，而DREADDs隻需用注射或者喂食CNO即可；

2）  操作較簡單：也正是因為光遺傳需要很多配件，而DREADDs不需要，所以在實驗操作的過程中，DREADDs相對來說比較簡單；

3）  較長時間的處理：對于光遺傳來說，由于激光産熱等機械限制，長時間處理幾乎不可能實現，而持續CNO給藥已經證明是可行的。

2.  DREADDs技術的缺點主要有以下兩點：

1）  操作神經元活動的時間精确度不高：由于optogenetics可以通過控制激光使時間精準度到毫秒級别，而DREADDs通過CNO連分鐘級别的精度程度都很難達到，而且CNO作用在神經元上之後一般需要2小時才能從膜上清除，所以說DREADD操作神經元活動的時間精确度不高；

2）  刺激的強度無法掌控：雖然研究人員可以增加或者減少CNO的給藥量，但是用DREADDs還是不可能控制給神經元刺激的量，而且也不能随時增強或者減弱刺激，但是光遺傳通過控制激光，可以精準地、随時地調節給神經元刺激的強度，這對于某些刺激強度依賴的神經環路研究有不可替代的優勢；

結語

至少到目前為止，DREADDs最主要的應用還是在神經科學研究方面，他們被廣泛用于以細胞特異性、無創地增強或抑制神經元的活動。雖然DREADD缺乏像光遺傳學那樣精準的時間控制能力，但是由于在進行疾病治療時，最有可能需要的是長期神經元環路調節，而DREADDs會非常适合這類應用。此外，許多FDA批準藥物的目标作用目标是GPCRs，而DREADDs是改造過的GPCRs，因此DREADDs可能會在藥物開發方面提供豐富的可能性。