近日，華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員葉海峰團隊研發(fā)了一種模塊小、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，尤其是精準可控的基因治療和細胞治療提供了強有力的新型控制系統(tǒng)。相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于《自然—生物技術(shù)》。

利用一束光治療疾病不再是神話故事和科幻小說中才會出現(xiàn)的情節(jié)，光遺傳學(xué)的出現(xiàn)，讓這個不可思議的治療手段成為可能。近年來，科學(xué)家通過對光敏蛋白的挖掘和設(shè)計，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)工具蓬勃發(fā)展，但是要真正實現(xiàn)利用一束光治療疾病仍然需要克服許多困難。

葉海峰課題組將目光放在了擬南芥的光敏蛋白PhyA上，在紅光照射下，該蛋白能和其伴侶蛋白FHY1形成二聚體，并在遠紅光照射下解離。根據(jù)這一特點，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，將FHY1和轉(zhuǎn)錄激活因子VP64融合表達。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，從而啟動下游基因的表達。

起初，使用完整的PhyA并不能激活下游基因的表達。為此，研究人員對其進行了工程改造，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，.終得到了一個模塊小且高度靈敏響應(yīng)紅光的光遺傳學(xué)工具，并將其命名為REDMAP。

研究人員將ΔPhyA定位到細胞膜上，將FHY1和SOS蛋白的激活域SOScat進行融合表達，通過紅光照射來控制SOScat的細胞定位，從而實現(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，實現(xiàn)了對哺乳動物細胞、小鼠肝臟及肌肉內(nèi)源基因轉(zhuǎn)錄的高效調(diào)控。

同時，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)病毒中并將其注射至小鼠體內(nèi)，實現(xiàn)了長達3個月以上的光控基因表達。

治療蛋白的精準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，短時間的光照(1~5分鐘)即可誘導(dǎo)報告基因的高效表達。同時，研究人員還通過光來精準控制小鼠和大鼠體內(nèi)胰島素的表達，成功實現(xiàn)了對糖尿病小鼠和大鼠血糖穩(wěn)態(tài)的控制。無需每天定時服用藥物或注射胰島素，只需要每天光照幾分鐘即可達到顯著降血糖的效果，這充分表明REDMAP系統(tǒng)在精準可控的細胞治療領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用潛能。(黃辛)

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