光遺傳學(xué)連續(xù)幾年被認為是諾貝爾獎大熱門，今年的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎揭曉之前一直位列預(yù)測榜第一名。
用一束光控制生命活動，不僅炫酷而且魔幻，畢竟上帝創(chuàng)世第一天便說：要有光。
如果光照后腫瘤就能消失，如果光“指哪兒”藥物就“打哪兒”，如果有了光神經(jīng)活動就被激發(fā)……這樣的魔幻隨著合成生物學(xué)的精進，正在成為現(xiàn)實。
在體內(nèi)提前“埋進”一個感光開關(guān)：660納米（紅光），打開；730納米（遠紅光），關(guān)閉。10月4日，國際頂刊《自然·生物技術(shù)》刊登了我國科學(xué)家在光遺傳學(xué)領(lǐng)域的研究成果，介紹這種全新的生命“光開關(guān)”的創(chuàng)造和驗證過程。
“在植物擬南芥中有一種光敏蛋白，不同納米的波長可以讓它與自己的‘伴侶’擁抱或遠離。”該論文通訊作者，華東師范大學(xué)生命學(xué)院、上海市調(diào)控生物學(xué)重點實驗室研究員葉海峰告訴科技日報記者，光能夠改變這種蛋白的三維結(jié)構(gòu)，因此可以利用它來設(shè)計感光“開關(guān)”，這種新型生命“光開關(guān)”被命名為REDMAP（“紅圖”）。
開關(guān)無延時，細胞秒反應(yīng)
和疫苗、藥物必須安全有效一樣，生命“光開關(guān)”首先要無毒，其次要反應(yīng)快。
在這一新型生命“光開關(guān)”誕生之前，有很多光遺傳學(xué)系統(tǒng)。
“傳統(tǒng)的光遺傳學(xué)是利用光對光敏離子通道的控制，使得陽離子或者陰離子泵入細胞中，激活或者抑制神經(jīng)元細胞。”葉海峰說，但由于此類光控離子通道蛋白工作原理的局限性，很難用于開發(fā)設(shè)計光控基因“開關(guān)”，來控制基因表達或編輯。
為了設(shè)計出“光開關(guān)”，人們開始在自然界尋找對光敏感的蛋白，例如海藻的光敏蛋白、人眼視網(wǎng)膜的光敏蛋白、紅細菌的光敏蛋白、擬南芥的光敏蛋白等。
猶如電子計算機“從晶體管走進芯片時代”，生命元器件也在向小型化、高運算速度的方向發(fā)展。
“只有系統(tǒng)元件足夠小，才能被載體包裝，從而廣泛地應(yīng)用于基因治療和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中。”葉海峰說，元件的前期設(shè)計就應(yīng)該考慮到后期應(yīng)用。
為此，團隊對擬南芥中的感光基因進行了不影響功能的截短，同時對整個系統(tǒng)的性能進行了優(yōu)化。
“我們篩選了很多版本，使用10余種基因調(diào)控的加強方法組合測試，優(yōu)化了各種元件，做了上百個分子克隆進行優(yōu)化。”葉海峰回憶，最終獲得的最優(yōu)組合，對光的敏感性提升高達150多倍。
正是基于嚴苛的篩選和繁瑣的優(yōu)化，植入“紅圖”系統(tǒng)的細胞，能夠做到“秒回應(yīng)”。驗證實驗顯示，只需紅光照射不到1秒鐘，就能“叫醒”基因開啟表達。
光照1分鐘，小鼠降血糖
通過設(shè)計和優(yōu)化，“紅圖”系統(tǒng)實現(xiàn)了生命“光開關(guān)”需要具備的小巧和靈敏。
那么，在生命體內(nèi)是不是也能發(fā)揮作用呢？
“很多外來的系統(tǒng)進入體內(nèi)會失效或者被識別后消滅，但‘紅圖’系統(tǒng)不會。”葉海峰說，通過載體帶入的整個“紅圖”系統(tǒng)至少能在體內(nèi)工作3個月。
研究團隊將該系統(tǒng)包裝至腺相關(guān)病毒（AAV2/8）載體上并注射至小鼠體內(nèi)，成功地在小鼠體內(nèi)實現(xiàn)了長達3個月以上的光控基因表達。
為了驗證該系統(tǒng)的臨床價值，研究人員以胰島素治療為任務(wù)，驗證“光開關(guān)”的作用。體內(nèi)胰島素如果過多或過少，對于糖尿病人來說都存在風(fēng)險，控制胰島素的體內(nèi)分泌量是糖尿病治療的痛點。
團隊將含有該系統(tǒng)的工程化定制細胞移植到糖尿病小鼠和大鼠體內(nèi)，通過光來精準的控制胰島素藥物的表達。實驗結(jié)果顯示，無需定時服用藥物或注射胰島素，每天僅需光照1分鐘或5分鐘便可實現(xiàn)糖尿病小鼠和大鼠體內(nèi)胰島素的表達，從而精準控制實驗動物的血糖穩(wěn)態(tài)。實驗驗證了“紅圖”系統(tǒng)可對細胞治療進行精準調(diào)控。
此外，論文中還介紹了大量系統(tǒng)驗證工作，包括應(yīng)用于光控基因表達的控制、細胞信號通路控制、基因編輯、基因治療、細胞治療等不同新興醫(yī)療手段，實現(xiàn)精準、靈敏、多元的調(diào)控。
據(jù)了解，相關(guān)工作獲得了國家重點研發(fā)計劃“合成生物學(xué)”重點專項、國家自然科學(xué)基金、上海市科委合成生物學(xué)重大項目的資助。論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41587-021-01036-w。
（記者 張佳星）
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