中國(guó)科學(xué)家造出生命“光開關(guān)”，1秒鐘紅光照射，可達(dá)150倍以上基因表達(dá)效果

照射一束光，就能治好??？

這似乎是《西游記》等神話傳說才會(huì)出現(xiàn)的情節(jié)。但是，華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副院長(zhǎng)葉海峰團(tuán)隊(duì)，采用光遺傳學(xué)的治療手段，讓這一設(shè)想成為可能[1]。

近些年，通過挖掘和設(shè)計(jì)光敏蛋白，科學(xué)家們構(gòu)建出諸多光遺傳學(xué)工具，并已用于腫瘤和代謝疾病治療等領(lǐng)域。盡管光遺傳學(xué)工具已有所發(fā)展，但要讓一束光來治病，仍要攻克許多難題。

真正完美、且能用于臨床應(yīng)用的光遺傳學(xué)工具，起碼具備如下特征：

1、這種光能響應(yīng)紅光或遠(yuǎn)紅光，具備較好的組織穿透能力，此外還得近乎 0 光毒性，并具備不錯(cuò)的體內(nèi)應(yīng)用潛能；

2、系統(tǒng)元件必須足夠小，從而可被安全性較好的腺相關(guān)病毒包裝遞送，并能廣泛用于基因治療和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究；

3、必須靈敏度高，具體體現(xiàn)在光響應(yīng)速度快，且能被隨時(shí)關(guān)閉，此外還要具備較好的可逆性，可根據(jù)實(shí)際需要和應(yīng)用場(chǎng)景做出靈活調(diào)節(jié)。

但是，此前并不存在可同時(shí)滿足上述條件的光遺傳學(xué)工具，這導(dǎo)致生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的光遺傳學(xué)應(yīng)用，始終未能大范圍普及。

比如，2017 年葉海峰課題組也曾出現(xiàn)一款紅光系統(tǒng)，最快也得光照兩個(gè)小時(shí)，才能誘導(dǎo)出足夠的胰島素表達(dá)量起到降血糖作用。

另?yè)?jù)悉，相比藍(lán)光和紫外光來說，遠(yuǎn)紅光的好處在于，具有較強(qiáng)的組織透性。如果采用藍(lán)光或紫外光，組織透性會(huì)很低，這時(shí)就很難完成小鼠體內(nèi)的基因功能研究。

許多實(shí)驗(yàn)都需要基因敲除術(shù)，如果敲除掉某些致死基因，就會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物死亡，如此就無法進(jìn)行相關(guān)基因功能研究。但是通過光控基因重組工具，就能以空間特異性的方式敲除靶基因，進(jìn)而去研究基因的功能

基于此，葉海峰團(tuán)隊(duì)不禁自問，是否可以開發(fā)用于操控生命的光遺傳學(xué)工具？

答案是肯定的，經(jīng)過重重努力，他和團(tuán)隊(duì)研發(fā)出這款完全符合上述要求的光遺傳學(xué)工具 REDMAP。

它具有靈敏度高、響應(yīng)紅光激活、模塊小、遠(yuǎn)紅光關(guān)閉等優(yōu)點(diǎn)，不僅能操縱細(xì)胞基因表達(dá)，還能用于糖尿病治療、細(xì)胞信號(hào)通路的控制、基因編輯等多領(lǐng)域。相比此前同類系統(tǒng)，這款系統(tǒng)更強(qiáng)大，只需幾分鐘的光誘導(dǎo)，即可起到降血糖作用。

10 月 4 日，相關(guān)論文以《一種用于哺乳動(dòng)物應(yīng)用的小而高度敏感的紅/遠(yuǎn)紅光遺傳開關(guān)》（A small and highly sensitive red/far-redoptogenetic switch for applications in mammals）為題，發(fā)表在 Nature Biotechnology 上。該團(tuán)隊(duì)的兩位博士生周陽(yáng)和孔德強(qiáng)擔(dān)任共同第一作者，葉海峰擔(dān)任通訊作者。

研究中，該團(tuán)隊(duì)關(guān)注到一種植物擬南芥，別名鼠耳芥、阿拉伯草等。它的光敏蛋白PhyA（phytochrome A）在紅光（660nm）照射下，能和伴侶蛋白 FHY1（far-red elongated hypocotyl 1）形成二聚體，進(jìn)而能在遠(yuǎn)紅光（730nm）照射下解離。

具體來說在黑暗狀態(tài)下，光敏結(jié)構(gòu)域 ΔPhyA-Gal4 存在于細(xì)胞質(zhì)中。依靠光敏色素 PCB 的幫助，ΔPhyA-Gal4 能感受到 660nm 紅光的外界信號(hào)，相關(guān)構(gòu)像也可得到改變。

這時(shí)結(jié)合光依賴的轉(zhuǎn)錄激活子 FHY1-VP64，再將其轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，然后結(jié)合到其特異性識(shí)別的啟動(dòng)子，即可啟動(dòng)基因的轉(zhuǎn)錄翻譯。在接受 730nm 遠(yuǎn)紅光照射后，ΔPhyA 又恢復(fù)成原來的靜默狀態(tài)，并會(huì)和 FHY1 分開，從而終止基因表達(dá)。

基于這一特點(diǎn)，葉海峰等人設(shè)計(jì)出基于 PhyA-FHY1 的轉(zhuǎn)錄激活系統(tǒng)，然后將 PhyA 與 GAL4 的 DNA 結(jié)合域融合表達(dá)，再將 FHY1 和轉(zhuǎn)錄激活因子 VP64 融合表達(dá)。

這時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)在紅光刺激下，PhyA-GAL4 和 FHY1-VP64 可以結(jié)合并形成復(fù)合體，隨后即可招募RNA聚合酶，借此即可啟動(dòng)下游基因的表達(dá)。

不過在一開始，完整的 PhyA 并沒有激活下游基因的表達(dá)。為此，該團(tuán)隊(duì)做了相關(guān)工程改造，借助優(yōu)化激活子和伴侶蛋白，終于研發(fā)出一款小模塊、高靈敏度的光遺傳學(xué)工具，由于它能響應(yīng)紅光，因此被命名為 REDMAP。據(jù)了解，這也是一種利用光來控制細(xì)胞信號(hào)通路的方法，可給基礎(chǔ)研究提供便捷可控的方法。

研究中，該團(tuán)隊(duì)把 ΔPhyA 定位到細(xì)胞膜上，并將 FHY1 和 SOS 蛋白的激活域 SOScat 融合表達(dá)，然后用紅光照射來控制 SOScat 的細(xì)胞定位，從而實(shí)現(xiàn)了 Ras/MAPK 信號(hào)通路的激活和去激活，最終構(gòu)建出 REDMAP_SOS-Ras 這樣一款工具。

另?yè)?jù)悉，葉海峰和團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建出 REDMAP_Cas 工具，并把 REDMAP 系統(tǒng)與基因編輯工具 CRISPR-dCas9 相結(jié)合，借此可高效調(diào)控哺乳動(dòng)物細(xì)胞、小鼠肝臟及肌肉內(nèi)源基因轉(zhuǎn)錄。

針對(duì) REDMAP 系統(tǒng)在基因治療領(lǐng)域的能力，他們也做了探索。由于截短的 ΔPhyA 蛋白的尺寸較小，因此可用腺相關(guān)病毒包裝。研究中，該團(tuán)隊(duì)把 REDMAP 包裝至腺相關(guān)病毒（AAV2/8）中，并將其注射至小鼠體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)月以上的光控基因表達(dá)

精準(zhǔn)地控制治療蛋白，對(duì)疾病治療有著重要意義。為此，葉海峰等人將裝載 REDMAP 系統(tǒng)的工程化細(xì)胞，移植到小鼠、大鼠和兔的皮下，借此探究該系統(tǒng)光響應(yīng)能力。

結(jié)果顯示，在 1-5 分鐘短時(shí)間的光照內(nèi)，就能誘導(dǎo)報(bào)告基因的高效表達(dá)。具來來說，在小鼠體內(nèi)光照 1 分鐘，在大鼠或兔子體內(nèi)光照 5 分鐘，就能讓系統(tǒng)表達(dá)足夠量的胰島素。

隨后，再對(duì)小鼠和大鼠體內(nèi)胰島素的表達(dá)進(jìn)行光的精準(zhǔn)控制，從而糖尿病小鼠和大鼠血糖穩(wěn)態(tài)得以控制。

這意味著，受試動(dòng)物無需每天定時(shí)服用****物或注射胰島素，只需每天光照幾分鐘，即可實(shí)現(xiàn)顯著降血糖的效果，這說明在精準(zhǔn)可控的細(xì)胞治療領(lǐng)域，REDMAP 系統(tǒng)的應(yīng)用潛能極高。

總而言之，該 REDMAP 系統(tǒng)具有四大優(yōu)點(diǎn)：

第一，超高靈敏度，只需要光照一秒鐘便可誘導(dǎo)至少 150 倍的基因表達(dá)。

第二，超高可控性，可通過紅光、遠(yuǎn)紅光照射快速激活或關(guān)閉光控系統(tǒng)，分別在小鼠、大鼠、兔中實(shí)現(xiàn)高效光控基因表達(dá)。

第三，高度嚴(yán)謹(jǐn)性，光和色素小分子構(gòu)成與門邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾p重控制。

第四，光控模塊小?？赏ㄟ^腺相關(guān)病毒遞送，在小鼠體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)三個(gè)月以上的基因表達(dá)控制。

在臨床應(yīng)用上的長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃，葉海峰認(rèn)為，通過光快速控制治療****物的精準(zhǔn)輸出在代謝和腫瘤疾病的精準(zhǔn)可控治療中具有重要意義。

值得注意的是，該系統(tǒng)還有望用于其他療法，例如 CAR-T 腫瘤免疫治療的精準(zhǔn)控制，即通過光來控制 CAR-T 細(xì)胞的活性。

它也可用于調(diào)控任何有治療價(jià)值的基因編碼蛋白類****物，例如各種酶類、激素類、抗體類、各種細(xì)胞因子等，從而讓 REDMAP 成為一個(gè)“光控細(xì)胞****物工廠”，進(jìn)而對(duì)細(xì)胞****物進(jìn)行時(shí)空精準(zhǔn)控制。

通過皮下移植方法，每天只需要幾秒鐘或幾分鐘光照時(shí)間，即可讓活體細(xì)胞****物工廠釋放治療****物。

概括來說，葉海峰等人開發(fā)出一款小模塊、高靈敏度、可逆性良好的光遺傳學(xué)工具，給基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究，特別是給精準(zhǔn)可控的基因治療和細(xì)胞治療領(lǐng)域，帶來了一款強(qiáng)有力的新型控制系統(tǒng)。

未來，該團(tuán)隊(duì)將聚焦光控基因編輯、光控基因重組、光控細(xì)胞治療等方向繼續(xù)深入研究。

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