研究人員成功開發出哺乳動物細胞中迄今最高效的紅光激發開關

文章的第一作者Phillip Kyriakakis正在展示研究人員開發的光遺傳開關的平板控制系統。

光遺傳通過光信號激活神經細胞表面的光敏離子通道進而精確而微創地控制神經網路的活動。而所謂基因「開關」，實際上就是基因表達的調控，包括轉錄、翻譯和翻譯後調控等多個層次，是人們工程化操縱細胞的基本方式。與最常用的化學信號控制開關不同，光敏開關由於副作用小作用範圍精確，更接近臨床的實踐。光敏基因開關可用於在基因療法中開啟或關閉基因，在癌症治療中關閉基因表達，也可以幫助跟蹤和了解人體特定位置的基因功能。

在傳統的方法中，通過短波長光如紫外光或藍光調控基因表達是最常見的手段。 2009年，Wendell A. Lim等人發表成果表明PhyB-PIF系統可以用紅光/近紅外光進行調控，但為了在哺乳動物細胞中使用該系統，必須添加藍藻光合色素藻藍分子（PCB）。 儘管有工作表明PCB分子可以在哺乳細胞中表達，但是表達量一直很低。這極大地阻礙了PhyB-PIF系統的使用。

紅光是激活基因開關的一個理想選擇，因為它很容易穿過人體。證明這一點的一個簡單方法是把你的手放在手機的手電筒光上，你會看到只有紅光透過皮膚，而不是其他顏色。這是因為身體不吸收這部分紅光，這說明紅光可以無害地穿過組織，這也是紅光深入體內控制基因的優勢所在。

為了在哺乳細胞中實現紅光激發開關PhyB-PIF系統的功能，近期研究人員在哺乳動物細胞中實現了藍藻光合色素藻藍分子（PCB）的表達，並且成功提高了PCB蛋白的表達水平，建立了迄今為止可以由紅光和遠紅光激發的最有效的哺乳動物光遺傳開關，並且此開關不需要從細胞外添加任何感應分子。這項由加州大學聖地亞哥分校（UCSD）的生物工程師團隊完成的工作最近發表在期刊ACS Synthetic Biology上。

「能夠在特定的位點和特定的時間，控制人體深處的基因，而無需添加外部元素，這是我們團隊長期追求的目標。」該論文的通訊作者、UCSD Jacobs工程學院生物工程教授Todd Coleman說， 「我們要用最理想波長的光控制基因。」

研究人員建立高效開關的方案上依賴於兩個觀點。第一個觀點是，動物細胞沒有分子機器提供電子用於製造對紅光敏感的分子。這相當於有一個來自國外的吹風機和電源插座，但沒有電源線和插座適配器。因此由UCSD博士後Phillip Kyriakakis領導的研究人員希望能夠開發出對應的「電源線」和「適配器」。

對於「電源線」，他們使用的是細菌和植物的鐵氧還蛋白，這是一種含鐵和硫的蛋白質，在許多反應中負責電子轉移。動物細胞中的鐵氧還蛋白與植物和細菌中的存在形式不同，所以它們並不能兼容。因此，一種被稱為Ferredoxin-NADP還原酶或FNR的酶就起到了「插座適配器」的作用。通過FNR酶，哺乳動物細胞現在可以將足夠多的電子從其能量供應鏈上轉移到用於建造光敏開關所需光敏分子的催化酶上。

藍藻光合色素藻藍分子PCB合成的代謝通路。

第二個觀點是，「電源線」和「插座」需要接到細胞的「發電廠」，也就是線粒體上，因而，製造光敏分子的系統需要放置在線粒體中，從而提高光開關中重要的分子PCB（藻藍素）的產量。

紅光控制的基因開關示意圖。

研究人員同時也開發了一個小型的平板控制裝置，可以調控紅色和遠紅光來激活開關。該裝置讓研究人員對光線照射的時間控制可以精確至毫秒，同時也可以讓光聚焦在非常具體的位置。研究人員發現，即使在短暫的光脈衝之後，由這個開關激活的基因在幾種哺乳動物細胞系中仍保持活性幾個小時。

光遺傳開關的平板控制系統包括一個控制箱和觸控屏幕。

該團隊進一步計劃使用此開關控制大腦特定區域的基因活化， 這將使他們更好地了解各種神經疾病相關基因的功能。

（本文作者：田野 孟凡康編輯：羅訓訓 孫智）

參考資料：

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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