再创|研究人员成功开发出哺乳动物细胞中迄今最高效的红光激发开关
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文章的第一作者Phillip Kyriakakis正在展示研究人员开发的光遗传开关的平板控制系统。
光遗传通过光信号激活神经细胞表面的光敏离子通道进而精确而微创地控制神经网络的活动。而所谓基因“开关”，实际上就是基因表达的调控，包括转录、翻译和翻译后调控等多个层次，是人们工程化操纵细胞的基本方式。与最常用的化学信号控制开关不同，光敏开关由于副作用小作用范围精确，更接近临床的实践。光敏基因开关可用于在基因疗法中开启或关闭基因，在癌症治疗中关闭基因表达，也可以帮助跟踪和了解人体特定位置的基因功能。
在传统的方法中，通过短波长光如紫外光或蓝光调控基因表达是最常见的手段。 2009年，Wendell A. Lim等人发表成果表明PhyB-PIF系统可以用红光/近红外光进行调控，但为了在哺乳动物细胞中使用该系统，必须添加蓝藻光合色素藻蓝分子（PCB）。 尽管有工作表明PCB分子可以在哺乳细胞中表达，但是表达量一直很低。这极大地阻碍了PhyB-PIF系统的使用。
红光是激活基因开关的一个理想选择，因为它很容易穿过人体。证明这一点的一个简单方法是把你的手放在手机的手电筒光上，你会看到只有红光透过皮肤，而不是其他颜色。这是因为身体不吸收这部分红光，这说明红光可以无害地穿过组织，这也是红光深入体内控制基因的优势所在。
为了在哺乳细胞中实现红光激发开关PhyB-PIF系统的功能，近期研究人员在哺乳动物细胞中实现了蓝藻光合色素藻蓝分子（PCB）的表达，并且成功提高了PCB蛋白的表达水平，建立了迄今为止可以由红光和远红光激发的最有效的哺乳动物光遗传开关，并且此开关不需要从细胞外添加任何感应分子。这项由加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的生物工程师团队完成的工作最近发表在期刊ACS Synthetic Biology上。
“能够在特定的位点和特定的时间，控制人体深处的基因，而无需添加外部元素，这是我们团队长期追求的目标。”该论文的通讯作者、UCSD Jacobs工程学院生物工程教授Todd Coleman说， “我们要用最理想波长的光控制基因。”
研究人员建立高效开关的方案上依赖于两个观点。第一个观点是，动物细胞没有分子机器提供电子用于制造对红光敏感的分子。这相当于有一个来自国外的吹风机和电源插座，但没有电源线和插座适配器。因此由UCSD博士后Phillip Kyriakakis领导的研究人员希望能够开发出对应的“电源线”和“适配器”。
对于“电源线”，他们使用的是细菌和植物的铁氧还蛋白，这是一种含铁和硫的蛋白质，在许多反应中负责电子转移。动物细胞中的铁氧还蛋白与植物和细菌中的存在形式不同，所以它们并不能兼容。因此，一种被称为Ferredoxin-NADP还原酶或FNR的酶就起到了“插座适配器”的作用。通过FNR酶，哺乳动物细胞现在可以将足够多的电子从其能量供应链上转移到用于建造光敏开关所需光敏分子的催化酶上。
蓝藻光合色素藻蓝分子PCB合成的代谢通路。
第二个观点是，“电源线”和“插座”需要接到细胞的“发电厂”，也就是线粒体上，因而，制造光敏分子的系统需要放置在线粒体中，从而提高光开关中重要的分子PCB（藻蓝素）的产量。
红光控制的基因开关示意图。
研究人员同时也开发了一个小型的平板控制装置，可以调控红色和远红光来激活开关。该装置让研究人员对光线照射的时间控制可以精确至毫秒，同时也可以让光聚焦在非常具体的位置。研究人员发现，即使在短暂的光脉冲之后，由这个开关激活的基因在几种哺乳动物细胞系中仍保持活性几个小时。
光遗传开关的平板控制系统包括一个控制箱和触控屏幕。
该团队进一步计划使用此开关控制大脑特定区域的基因活化， 这将使他们更好地了解各种神经疾病相关基因的功能。
（本文作者：田野 孟凡康 编辑：罗训训 孙智）
参考资料：
1. https://phys.org/news/2018-03-efficient-red-light-activated-optogenetic-mammalian.html
2. https://phys.org/news/2017-11-efficient-synthesis-photosynthetic-pigment-mammalian.html
3. Kyriakakis, Phillip, et al. "Biosynthesis of Orthogonal Molecules Using Ferredoxin and Ferredoxin-NADP+ Reductase Systems Enables Genetically Encoded PhyB Optogenetics." ACS synthetic biology (2018).
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