葉海峰（中）與論文共同第一作者周陽（左）、孔德強(qiáng)。課題組供圖
REDMAP光照小鼠、大鼠、兔示意圖。課題組供圖
近日，華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員葉海峰團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一個(gè)模塊小、靈敏度高、可逆性良好的新一代光遺傳學(xué)工具，為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究，尤其是精準(zhǔn)可控的基因治療和細(xì)胞治療領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的新型控制系統(tǒng)。
10月4日，《自然—生物技術(shù)》在線發(fā)表了這項(xiàng)重要成果。
利用一束光來治療疾病不再是神話故事和科幻小說中才會(huì)出現(xiàn)的情節(jié)，光遺傳學(xué)的出現(xiàn)，讓這個(gè)不可思議的治療手段成為可能。近年來，科學(xué)家對光敏蛋白的挖掘和設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一系列光遺傳學(xué)工具，并將其應(yīng)用于腫瘤及代謝疾病等治療領(lǐng)域。雖然光遺傳學(xué)工具已經(jīng)得到了蓬勃的發(fā)展，然而要真正實(shí)現(xiàn)利用一束光來治療疾病仍然需要克服許多問題。
葉海峰課題組將目光放在了來自植物擬南芥的光敏蛋白PhyA（phytochrome A）上，在紅光照射下，該蛋白能和其伴侶蛋白FHY1形成二聚體，并在遠(yuǎn)紅光照射下解離。根據(jù)這一特點(diǎn)，研究人員構(gòu)建了基于PhyA-FHY1的轉(zhuǎn)錄激活系統(tǒng)。研究人員將PhyA與GAL4的DNA結(jié)合域融合表達(dá)，將FHY1和轉(zhuǎn)錄激活因子VP64融合表達(dá)。紅光刺激下，PhyA-GAL4和FHY1-VP64結(jié)合形成復(fù)合體并招募RNA聚合酶，從而啟動(dòng)下游基因的表達(dá)。
在起初使用完整的PhyA并不能激活下游基因的表達(dá)。為此，研究人員對其進(jìn)行了工程改造，構(gòu)建了截短版本的ΔPhyA。并通過激活子和伴侶蛋白的優(yōu)化，最終得到了一個(gè)模塊小且高度靈敏地響應(yīng)紅光的光遺傳學(xué)工具，并將其命名為REDMAP。
“利用光來控制細(xì)胞信號通路可以為基礎(chǔ)研究提供便捷可控的研究方法?！闭撐耐ㄓ嵶髡呷~海峰告訴《中國科學(xué)報(bào)》，研究人員將ΔPhyA定位到細(xì)胞膜上，將FHY1和SOS蛋白的激活域SOScat進(jìn)行融合表達(dá)，通過紅光照射來控制SOScat的細(xì)胞定位，從而實(shí)現(xiàn)了Ras/MAPK信號通路的激活和去激活，成功構(gòu)建了REDMAPSOS-Ras工具。此外，研究人員還構(gòu)建了REDMAPCas工具,將REDMAP系統(tǒng)與基因編輯工具CRISPR-dCas9結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了對哺乳動(dòng)物細(xì)胞、小鼠肝臟及肌肉內(nèi)源基因轉(zhuǎn)錄的高效調(diào)控。
同時(shí)，研究人員探究了REDMAP系統(tǒng)在基因治療領(lǐng)域的能力。由于截短的ΔPhyA蛋白具有較小的尺寸，可以利用腺相關(guān)病毒包裝。因此，研究人員將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)了長達(dá)三個(gè)月以上的光控基因表達(dá)。
治療蛋白的精準(zhǔn)控制對疾病的治療具有重要意義。研究人員將裝載REDMAP系統(tǒng)的工程化細(xì)胞移植至小鼠、大鼠和兔的皮下，探究其光響應(yīng)能力。結(jié)果顯示，短時(shí)間的光照（1~5分鐘）即可誘導(dǎo)報(bào)告基因的高效表達(dá)。同時(shí)，研究人員還通過光來精準(zhǔn)的控制小鼠和大鼠體內(nèi)胰島素的表達(dá)，成功實(shí)現(xiàn)了對糖尿病小鼠和大鼠血糖穩(wěn)態(tài)的控制。無需每天定時(shí)服用藥物或注射胰島素，只需要每天光照幾分鐘即可達(dá)到顯著降血糖的效果，這充分表明REDMAP系統(tǒng)在精準(zhǔn)可控的細(xì)胞治療領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用潛能。
評審專家認(rèn)為，這標(biāo)志著一個(gè)完全符合要求的光遺傳學(xué)工具出現(xiàn)了，它不僅模塊小、靈敏度高、響應(yīng)紅光激活、遠(yuǎn)紅光關(guān)閉，可操縱細(xì)胞基因表達(dá)，還可應(yīng)用于細(xì)胞信號通路的控制、基因編輯和糖尿病的治療等多種領(lǐng)域。
