2025年10月17日，瓯江实验室谭涛课题组在《分子精神病学》（Molecular Psychiatry）上发表题为“Advances in chemogenetics: a review of DREADDs and its application in psychiatric disorders“的综述。该综述全面概述了DREADDs发展历程、分类、原理及最佳配体剂量，同时总结了DREADDs在精神障碍中的应用策略，以及DREADDs在焦虑和抗焦虑中研究进展。有助于神经/精神疾病相关方向研究人员在应用化学遗传学时作为参考。
1. 化学遗传学发展历程（图1）
图1.化学遗传学发展及应用历程
DREADDs：化学遗传学的最初构想始于1991年。随后在1998年，开发出仅由合成配体激活的受体（RASSLs），即Ro1、Gi/o偶联的κ型阿片受体，并合成配体spiradoline激活。随后发展出更复杂的受体设计，如Gq和Gi-DREADD，它们可被CNO选择性激活。2009年，专门用于调节Gαs信号传导的Gs-DREADD被构建出。2015年合成出由SalB特异激活的抑制性KORDi。2024年，研究人员开发出了截短版DREADDs（mini Dq和mini Di），并实现双向调控：使用一个病毒载体同时携带mini Dq（激活）和KORDi（抑制）。
转基因小鼠方面：2009年构建出DREADD转基因小鼠（TRE-hM3Dq和TRE-hM4Di）。现已有多种化学遗传学转基因小鼠品系，如2013年的Adora2A-rM3Ds、2016年的Gq-DREADD和Gi-DREADD、RC::L-hM3Dq和RC::FL-hM3Dq。
配体方面：CNO与2009年被合成。2015年Compound 21（C21），进一步提高DREADD配体灵敏度和特异性。同年还发现另一种Gq受体选择性配体——perlapine（亲和性高于CNO）。然而，2017年有研究报道CNO会代谢为clozapine发挥作用，而非直接作用于DREADD受体。2020年发现更快起效速度的配体deschloroclozapine（DCZ）。
应用方面：化学遗传学首先在小鼠中应用（2009）。2014年，化学遗传学应用已扩展到大鼠和非人灵长类。在细胞类型方面，2007年首次开展体外海马神经元化学遗传调控。此后，化学遗传技术应用扩展到了多巴胺能神经元（2014年）和GABA能神经元（2015年），并进一步延伸到了星形胶质细胞（2013年）和小胶质细胞（2018年）。（图1）。
2. 化学遗传学的受体分类
图2. DREADDs分类及作用机制
依据DREADD对神经元放电与膜兴奋性的最终效应，可将其分为兴奋性与抑制性两大类。
2.1 兴奋性DREADDs（图2A）
兴奋性DREADDs用于增强神经元活动。
Gq-DREADD：基于人源毒蕈碱受体（human muscarinic receptors）改造而来，已筛选出三种主要变体：hM3Dq、hM1Dq 与 hM5Dq。其中，hM3Dq最早于2007年报道，且应用最为广泛。值得注意的是，hM3Dq过表达一般不显著改变细胞的基线电生理特性。
Gs-DREADD：Gs-DREADD于2009年构建。通过将大鼠M3毒蕈碱受体（rM3）胞内环段与火鸡红细胞β-肾上腺素能受体（Gs偶联）的相应结构域进行嵌合获得。该受体与Golf信号偶联效率较高，而Golf在纹状体中高度表达，提示Gs-DREADD在纹状体相关的环路研究中具有独特优势。
2.2 抑制性DREADDs（图2B）
抑制性DREADDs通过与Gi/o通路偶联抑制神经元活动。
hM2Di 与 hM4Di（2007）：两者均源自突变的人源毒蕈碱受体，常用配体包括CNO、C21与DCZ。
KORDi（2015）：源自κ-阿片受体的抑制型DREADD，对SalB（salvinorin B）具有高特异性，起效迅速。
在实际应用中，hM4Di最为常用。KORDi与hM4Di虽均可抑制神经元，但其动力学特征有所不同：KORDi约5–10分钟内即可抑制神经元，效应一般在约2小时左右；hM4Di起效通常需15–30分钟，抑制效应可持续约6小时。二者的配体-受体选择性互不交叉，为“多时相、可编程”的抑制提供了策略学优势：例如在同一受试个体内依次激活KORDi与hM4Di，可在不同时间窗内实现同一区域的分阶段抑制；此外，KORDi还可与兴奋性DREADDs（如Gq）组合，实现对同一细胞群体的双向调控。
3. 化学遗传学配体
常用配体包括CNO、C21与DCZ，其药代/药效学特性与选择性各异。
CNO：可作为常见毒蕈碱受体衍生DREADD（如hM3Dq、hM4Di）的有效配体。小鼠与大鼠腹腔注射（i.p.）典型剂量为1 mg/kg（图3A、3D），起效约15–30分钟，效应持续约6小时。脑内局部给药方面，小鼠常用0.1–0.5 ng或约51–171 ng（图3G），大鼠约86–171 ng（图3H），起效5–30分钟不等。需要强调的是，CNO在体内（啮齿类与非人灵长类）能代谢为氯氮平，可能引发脱靶效应。因此，后续开发了C21与DCZ等新型激动剂以降低脱靶风险。
C21：可透过血脑屏障，选择性激活毒蕈碱受体衍生的DREADD。小鼠与大鼠i.p.典型剂量为1 mg/kg（图3B、3E）。与CNO相比，C21起效更快（约15–20分钟），但作用时程较短（约2小时），有利于获得更高时间分辨率的操控。脑内局部注射虽不常见，但在大鼠中约10 ng即可产生靶向效应。
DCZ（deschloroclozapine）：总体效能与选择性优于CNO与C21。其起效更快（约10–15分钟），且在明显更低的系统给药剂量范围内（小鼠1–100 μg/kg）即可高效激活DREADDs。与CNO相比，DCZ对其他GPCR的亲和力更低，提示更高特异性。
图3. DREADDs配体体内给药
4. 化学遗传学在神经科学中的应用策略
化学遗传学以高时间与空间分辨率，实现对神经环路-行为因果关系的解析。下列策略覆盖全脑至特定细胞类型/环路的多尺度设计（图4）。
全脑神经调控：借助在全脑范围表达DREADDs的转基因模型，可进行系统性操控。常用遗传系统包括Cre-loxP（图4A上）与Tet-off（tTA-TRE）（图4A下），实现细胞类型特异的受体表达；随后通过腹腔注射CNO等配体进行全身激活。该策略适合评估全脑尺度的神经调节效应及其对行为、认知与全局网络动力学的影响。
脑区特异性神经调控：通过将表达DREADD的病毒载体局部注入感兴趣的脑区（图4B左），或在携带Cre依赖性DREADD（如DREADD-Flex）的转基因小鼠中向目标区注入表达Cre的病毒（图4B右），可实现脑区分辨的操控，适于解析单一区域或多区域在特定行为中的功能。
图4. 化学遗传学在神经科学中的应用策略
环路特异性神经调控：在环路层级，常见两类设计（图4C）：其一，在上游区表达DREADD，通过植入导管将配体局灌至下游脑区；其二，采用逆行病毒在下游脑区表达Cre，同时在上游区注入Cre依赖性DREADD，随后系统给药以在上游区实现选择性激活/抑制。
进一步地，为提升区域×细胞类型的选择性，可在表达Cre的小鼠特定脑区注入Cre依赖性DREADD，系统给药实现该区特定细胞群的操控（图4D）；或在此基础上，额外通过导管向其下游区域局部给药（图4E），从而将细胞类型特异与环路特异相结合，精细剖析特定细胞群在特定通路中的作用。
双向调控：利用多配体-受体体系，可在同一动物或同一脑区内实现激活与抑制。典型方案为联合表达Gq-DREADD与KORDi，分别以CNO与SalB实现选择性兴奋/抑制（图4F左）。为简化操作，近年发展出MiniDq等紧凑型兴奋性DREADD，可与KORDi构建于一个AAV载体共同递送，确保两者在同一细胞群的共表达（图4F右）。
基于时间/行为的调控：为实现与时间窗或活动状态耦合的表达控制，可采用Tet-off/Tet-on系统：DREADD表达受DOX缺失（图4G上）或存在（图4G中）调控。另一类是Fos-CreER框架，借助活动依赖的早期基因c-Fos驱动受体表达（图4G下），从而在特定事件或经历后，选择性标记并操控被招募的神经元群，适用于探究活动相关过程的因果机制。
5. 化学遗传学在应激诱导焦虑中的相关研究进展（图5）
图5. 化学遗传学在应激诱导焦虑中的相关研究
综述还以应激诱导焦虑为例介绍了化学遗传学在诱导焦虑和抗焦虑中的关键脑区、环路及细胞亚型等层面的应用。
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41380-025-03305-5
作者简介
瓯江实验室谭涛研究员、宋伟宏教授为本文通讯作者；瓯江实验室谭涛课题组科研助理高靖尧为本文第一作者。本综述受到国家自然科学基金（82471536、32500517）、浙江省科学技术厅（2023ZY1018、2024SSYS0054）、温州市科学技术局（ZY2023006、 2024R2002）及瓯江实验室（OJQD2022002, OJQDJQ2022002）资助。
谭涛课题组主要研究方向：1）眼脑解析Patch-seq多模态技术开发；2）无创磁遗传神经调控；3）应激性别差异的神经环路；4）神经/精神疾病神经生物学机制。欢迎申请课题组博士、博士后。
瓯江实验实验室谭涛课题组全家福
相关报道：
1.瓯江实验室官方报道：https://mp.weixin.qq.com/s/K66LgNhhiz7tudH96a7HVg
2.逻辑神经科学报道：https://mp.weixin.qq.com/s/_lp8AVsNFGIifRO7SOc5Qg