三分钟看懂生命“光开关”红图系统
利用一束光来治疗疾病，这不再是神话故事和科幻小说中才会出现的情节，光遗传学的出现，让这个不可思议的治疗手段成为可能。近年来，科学家对光敏蛋白的挖掘和设计，构建了一系列光遗传学工具，并将其应用于肿瘤及代谢疾病等治疗领域。虽然光遗传学工具已经得到了蓬勃的发展，然而要真正实现利用一束光来治疗疾病仍然需要克服许多问题。
一个完美的可用于临床应用的光遗传学工具应该需要满足以下几个特点：一是响应红光或远红光，这种光具有良好的组织穿透能力且几乎不存在光毒性，具有较好的体内应用潜能；二是系统元件小，能被安全性较好的腺相关病毒包装，可以广泛应用于基因治疗和基础医学研究；三是灵敏度高，光响应速度快且可以被随时关闭，具有较好的可逆性，可根据实际需要和应用场景灵活调节。目前的光遗传学工具均无法同时满足上述条件，这大大限制了光遗传学在生物医学领域的应用。
令人兴奋的是，一个完全符合上述要求的光遗传学工具出现了，它不仅模块小、灵敏度高、响应红光激活、远红光关闭，可操纵细胞基因表达，还可应用于细胞信号通路的控制、基因编辑和糖尿病的治疗等多种领域。2021年10月4日，生物技术领域顶级期刊《Nature Biotechnology》在线发表了来自Im体育官方版app下载生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室、Im体育官方版app下载医学合成生物学研究中心叶海峰研究团队的成果。
《Nature Biotechnology》发布叶海峰研究团队的成果
叶海峰研究团队
叶海峰课题组将目光放在了来自植物拟南芥的光敏蛋白PhyA（phytochrome A）上 ，在红光照射下，该蛋白能和其伴侣蛋白FHY1(far-red elongated hypocotyl 1)形成二聚体，并在远红光照射下解离。根据这一特点，研究人员构建了基于PhyA-FHY1的转录激活系统。研究人员将PhyA与GAL4的DNA结合域融合表达，将FHY1和转录激活因子VP64融合表达。红光刺激下，PhyA-GAL4和FHY1-VP64结合形成复合体并招募RNA聚合酶，从而启动下游基因的表达。但起初，使用完整的PhyA并不能激活下游基因的表达。随后，研究人员对其进行了工程改造，通过优化激活子和伴侣蛋白，最终得到了一个模块小且高度灵敏地响应红光的光遗传学工具，并将其命名为REDMAP。
图1. REDMAP系统原理
利用光来控制细胞信号通路可以为基础研究提供便捷可控的研究方法。因此，叶海峰课题组将ΔPhyA定位到细胞膜上，将FHY1和SOS蛋白的激活域SOScat进行融合表达，通过红光照射来控制SOScat的细胞定位，从而实现了Ras/MAPK信号通路的激活和去激活，成功构建了REDMAPSOS-Ras工具。此外，研究人员还构建了REDMAPCas工具，将REDMAP系统与基因编辑工具CRISPR-dCas9结合在一起，实现了对哺乳动物细胞、小鼠肝脏及肌肉内源基因转录的高效调控。
图2. REDMAPSOS-Ras原理（左）及REDMAPCas原理（右）
研究人员还探究了REDMAP系统在基因治疗领域的能力。由于截短的ΔPhyA蛋白具有较小的尺寸，可以利用腺相关病毒包装。因此，研究人员将REDMAP包装至腺相关病毒（AAV2/8）中并将其注射至小鼠体内，实现了长达三个月以上的光控基因表达。
图3. REDMAP介导的小鼠体内长期基因控制
治疗蛋白的精准控制对疾病的治疗具有重要意义。研究人员将装载REDMAP系统的工程化细胞移植至小鼠、大鼠和兔的皮下，探究其光响应能力。结果显示，短时间的光照（1-5分钟）即可诱导报告基因的高效表达。接着，研究人员通过光来精准的控制小鼠和大鼠体内胰岛素的表达，成功实现了对糖尿病小鼠和大鼠血糖稳态的控制。无需每天定时服用药物或注射胰岛素，只需要每天光照几分钟即可达到显著降血糖的效果，这充分表明了REDMAP系统在精准可控的细胞治疗领域具有极高的应用潜能。
图4. REDMAP光照小鼠、大鼠、兔示意图
总之，该研究开发了一个模块小、灵敏度高、可逆性良好的光遗传学工具，为基础医学和转化医学研究，尤其是精准可控的基因治疗和细胞治疗领域提供了强有力的新型控制系统。
叶海峰（中）与论文共同第一作者周阳（左）、孔德强(右)
据悉，2019级博士生周阳和2020级博士生孔德强为共同第一作者，叶海峰研究员为论文的通讯作者。该研究受到了国家重点研发计划“合成生物学”重点专项、国家自然科学基金、上海市科委合成生物学重大项目的资助。
附：
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41587-021-01036-w
来源｜生命科学学院 编辑｜余明蕊 编审｜郭文君
