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

照射一束光，就能治好??？

這似乎是《西游記》等神話(huà)傳說(shuō)才會(huì )出現的情節。但是，華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副院長(cháng)葉海峰團隊，采用光遺傳學(xué)的治療手段，讓這一設想成為可能[1]。

近些年，通過(guò)挖掘和設計光敏蛋白，科學(xué)家們構建出諸多光遺傳學(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(lái)治病，仍要攻克許多難題。

真正完美、且能用于臨床應用的光遺傳學(xué)工具，起碼具備如下特征：

1、這種光能響應紅光或遠紅光，具備較好的組織穿透能力，此外還得近乎 0 光毒性，并具備不錯的體內應用潛能；

2、系統元件必須足夠小，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醫學(xué)研究；

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

但是，此前并不存在可同時(shí)滿(mǎn)足上述條件的光遺傳學(xué)工具，這導致生物醫學(xué)領(lǐng)域內的光遺傳學(xué)應用，始終未能大范圍普及。

比如，2017 年葉海峰課題組也曾出現一款紅光系統，最快也得光照兩個(gè)小時(shí)，才能誘導出足夠的胰島素表達量起到降血糖作用。

另?yè)?，相比藍光和紫外光來(lái)說(shuō)，遠紅光的好處在于，具有較強的組織透性。如果采用藍光或紫外光，組織透性會(huì )很低，這時(shí)就很難完成小鼠體內的基因功能研究。

許多實(shí)驗都需要基因敲除術(shù)，如果敲除掉某些致死基因，就會(huì )導致動(dòng)物死亡，如此就無(wú)法進(jìn)行相關(guān)基因功能研究。但是通過(guò)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，葉海峰團隊不禁自問(wèn)，是否可以開(kāi)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(guò)重重努力，他和團隊研發(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、響應紅光激活、模塊小、遠紅光關(guān)閉等優(yōu)點(diǎn)，不僅能操縱細胞基因表達，還能用于糖尿病治療、細胞信號通路的控制、基因編輯等多領(lǐng)域。相比此前同類(lèi)系統，這款系統更強大，只需幾分鐘的光誘導，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)物應用的小而高度敏感的紅/遠紅光遺傳開(kāi)關(guān)》（A small and highly sensitive red/far-redoptogenetic switch for applications in mammals）為題，發(fā)表在 Nature Biotechnology 上。該團隊的兩位博士生周陽(yáng)和孔德強擔任共同第一作者，葉海峰擔任通訊作者。

研究中，該團隊關(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)而能在遠紅光（730nm）照射下解離。

具體來(lái)說(shuō)在黑暗狀態(tài)下，光敏結構域 ΔPhyA-Gal4 存在于細胞質(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，相關(guān)構像也可得到改變。

這時(shí)結合光依賴(lài)的轉錄激活子 FHY1-VP64，再將其轉移到細胞核內，然后結合到其特異性識別的啟動(dòng)子，即可啟動(dòng)基因的轉錄翻譯。在接受 730nm 遠紅光照射后，ΔPhyA 又恢復成原來(lái)的靜默狀態(tài)，并會(huì )和 FHY1 分開(kāi)，從而終止基因表達。

基于這一特點(diǎn)，葉海峰等人設計出基于 PhyA-FHY1 的轉錄激活系統，然后將 PhyA 與 GAL4 的 DNA 結合域融合表達，再將 FHY1 和轉錄激活因子 VP64 融合表達。

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

不過(guò)在一開(kāi)始，完整的 PhyA 并沒(méi)有激活下游基因的表達。為此，該團隊做了相關(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，由于它能響應紅光，因此被命名為 REDMAP。據了解，這也是一種利用光來(lái)控制細胞信號通路的方法，可給基礎研究提供便捷可控的方法。

研究中，該團隊把 ΔPhyA 定位到細胞膜上，并將 FHY1 和 SOS 蛋白的激活域 SOScat 融合表達，然后用紅光照射來(lái)控制 SOScat 的細胞定位，從而實(shí)現了 Ras/MAPK 信號通路的激活和去激活，最終構建出 REDMAP_SOS-Ras 這樣一款工具。

另?yè)?，葉海峰和團隊還構建出 REDMAP_Cas 工具，并把 REDMAP 系統與基因編輯工具 CRISPR-dCas9 相結合，借此可高效調控哺乳動(dòng)物細胞、小鼠肝臟及肌肉內源基因轉錄。

針對 REDMAP 系統在基因治療領(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，該團隊把 REDMAP 包裝至腺相關(guān)病毒（AAV2/8）中，并將其注射至小鼠體內，實(shí)現了三個(gè)月以上的光控基因表達

精準地控制治療蛋白，對疾病治療有著(zhù)重要意義。為此，葉海峰等人將裝載 REDMAP 系統的工程化細胞，移植到小鼠、大鼠和兔的皮下，借此探究該系統光響應能力。

結果顯示，在 1-5 分鐘短時(shí)間的光照內，就能誘導報告基因的高效表達。具來(lái)來(lái)說(shuō)，在小鼠體內光照 1 分鐘，在大鼠或兔子體內光照 5 分鐘，就能讓系統表達足夠量的胰島素。

隨后，再對小鼠和大鼠體內胰島素的表達進(jìn)行光的精準控制，從而糖尿病小鼠和大鼠血糖穩態(tài)得以控制。

這意味著(zhù)，受試動(dòng)物無(wú)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)現顯著(zhù)降血糖的效果，這說(shuō)明在精準可控的細胞治療領(lǐng)域，REDMAP 系統的應用潛能極高。

總而言之，該 REDMAP 系統具有四大優(yōu)點(diǎn)：

第一，超高靈敏度，只需要光照一秒鐘便可誘導至少 150 倍的基因表達。

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

第三，高度嚴謹性，光和色素小分子構成與門(mén)邏輯關(guān)系實(shí)現更嚴謹的雙重控制。

第四，光控模塊小?？赏ㄟ^(guò)腺相關(guān)病毒遞送，在小鼠體內實(shí)現了長(cháng)達三個(gè)月以上的基因表達控制。

在臨床應用上的長(cháng)遠計劃，葉海峰認為，通過(guò)光快速控制治療****物的精準輸出在代謝和腫瘤疾病的精準可控治療中具有重要意義。

值得注意的是，該系統還有望用于其他療法，例如 CAR-T 腫瘤免疫治療的精準控制，即通過(guò)光來(lái)控制 CAR-T 細胞的活性。

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

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

概括來(lái)說(shuō)，葉海峰等人開(kāi)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，給基礎醫學(xué)研究和轉化醫學(xué)研究，特別是給精準可控的基因治療和細胞治療領(lǐng)域，帶來(lái)了一款強有力的新型控制系統。

未來(lái)，該團隊將聚焦光控基因編輯、光控基因重組、光控細胞治療等方向繼續深入研究。

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