遺傳學(xué)連續(xù)幾年被認(rèn)為是諾貝爾獎(jiǎng)大熱門(mén)，今年的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)揭曉之前一直位列預(yù)測(cè)榜第一名。

用一束光控制生命活動(dòng)，不僅炫酷而且魔幻，畢竟上帝創(chuàng)世第一天便說(shuō)：要有光。

如果光照后腫瘤就能消失，如果光“指哪兒”藥物就“打哪兒”，如果有了光神經(jīng)活動(dòng)就被激發(fā)……這樣的魔幻隨著合成生物學(xué)的精進(jìn)，正在成為現(xiàn)實(shí)。

在體內(nèi)提前“埋進(jìn)”一個(gè)感光開(kāi)關(guān)：660納米(紅光)，打開(kāi);730納米(遠(yuǎn)紅光)，關(guān)閉。10月4日，國(guó)際頂刊《自然·生物技術(shù)》刊登了我國(guó)科學(xué)家在光遺傳學(xué)領(lǐng)域的研究成果，介紹這種全新的生命“光開(kāi)關(guān)”的創(chuàng)造和驗(yàn)證過(guò)程。

“在植物擬南芥中有一種光敏蛋白，不同納米的波長(zhǎng)可以讓它與自己的‘伴侶’擁抱或遠(yuǎn)離。”該論文通訊作者，華東師范大學(xué)生命學(xué)院、上海市調(diào)控生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員葉海峰告訴科技日?qǐng)?bào)記者，光能夠改變這種蛋白的三維結(jié)構(gòu)，因此可以利用它來(lái)設(shè)計(jì)感光“開(kāi)關(guān)”，這種新型生命“光開(kāi)關(guān)”被命名為REDMAP(“紅圖”)。

開(kāi)關(guān)無(wú)延時(shí)，細(xì)胞秒反應(yīng)

和疫苗、藥物必須安全有效一樣，生命“光開(kāi)關(guān)”首先要無(wú)毒，其次要反應(yīng)快。

在這一新型生命“光開(kāi)關(guān)”誕生之前，有很多光遺傳學(xué)系統(tǒng)。

“傳統(tǒng)的光遺傳學(xué)是利用光對(duì)光敏離子通道的控制，使得陽(yáng)離子或者陰離子泵入細(xì)胞中，激活或者抑制神經(jīng)元細(xì)胞。”葉海峰說(shuō)，但由于此類(lèi)光控離子通道蛋白工作原理的局限性，很難用于開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)光控基因“開(kāi)關(guān)”，來(lái)控制基因表達(dá)或編輯。

為了設(shè)計(jì)出“光開(kāi)關(guān)”，人們開(kāi)始在自然界尋找對(duì)光敏感的蛋白，例如海藻的光敏蛋白、人眼視網(wǎng)膜的光敏蛋白、紅細(xì)菌的光敏蛋白、擬南芥的光敏蛋白等。

猶如電子計(jì)算機(jī)“從晶體管走進(jìn)芯片時(shí)代”，生命元器件也在向小型化、高運(yùn)算速度的方向發(fā)展。

“只有系統(tǒng)元件足夠小，才能被載體包裝，從而廣泛地應(yīng)用于基因治療和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中。”葉海峰說(shuō)，元件的前期設(shè)計(jì)就應(yīng)該考慮到后期應(yīng)用。

為此，團(tuán)隊(duì)對(duì)擬南芥中的感光基因進(jìn)行了不影響功能的截短，同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了優(yōu)化。

“我們篩選了很多版本，使用10余種基因調(diào)控的加強(qiáng)方法組合測(cè)試，優(yōu)化了各種元件，做了上百個(gè)分子克隆進(jìn)行優(yōu)化。”葉海峰回憶，最終獲得的最優(yōu)組合，對(duì)光的敏感性提升高達(dá)150多倍。

正是基于嚴(yán)苛的篩選和繁瑣的優(yōu)化，植入“紅圖”系統(tǒng)的細(xì)胞，能夠做到“秒回應(yīng)”。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)顯示，只需紅光照射不到1秒鐘，就能“叫醒”基因開(kāi)啟表達(dá)。

光照1分鐘，小鼠降血糖

通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，“紅圖”系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生命“光開(kāi)關(guān)”需要具備的小巧和靈敏。

那么，在生命體內(nèi)是不是也能發(fā)揮作用呢?

“很多外來(lái)的系統(tǒng)進(jìn)入體內(nèi)會(huì)失效或者被識(shí)別后消滅，但‘紅圖’系統(tǒng)不會(huì)。”葉海峰說(shuō)，通過(guò)載體帶入的整個(gè)“紅圖”系統(tǒng)至少能在體內(nèi)工作3個(gè)月。

研究團(tuán)隊(duì)將該系統(tǒng)包裝至腺相關(guān)病毒(AAV2/8)載體上并注射至小鼠體內(nèi)，成功地在小鼠體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月以上的光控基因表達(dá)。

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的臨床價(jià)值，研究人員以胰島素治療為任務(wù)，驗(yàn)證“光開(kāi)關(guān)”的作用。體內(nèi)胰島素如果過(guò)多或過(guò)少，對(duì)于糖尿病人來(lái)說(shuō)都存在風(fēng)險(xiǎn)，控制胰島素的體內(nèi)分泌量是糖尿病治療的痛點(diǎn)。

團(tuán)隊(duì)將含有該系統(tǒng)的工程化定制細(xì)胞移植到糖尿病小鼠和大鼠體內(nèi)，通過(guò)光來(lái)精準(zhǔn)的控制胰島素藥物的表達(dá)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，無(wú)需定時(shí)服用藥物或注射胰島素，每天僅需光照1分鐘或5分鐘便可實(shí)現(xiàn)糖尿病小鼠和大鼠體內(nèi)胰島素的表達(dá)，從而精準(zhǔn)控制實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的血糖穩(wěn)態(tài)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了“紅圖”系統(tǒng)可對(duì)細(xì)胞治療進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。

此外，論文中還介紹了大量系統(tǒng)驗(yàn)證工作，包括應(yīng)用于光控基因表達(dá)的控制、細(xì)胞信號(hào)通路控制、基因編輯、基因治療、細(xì)胞治療等不同新興醫(yī)療手段，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、靈敏、多元的調(diào)控。

據(jù)了解，相關(guān)工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“合成生物學(xué)”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委合成生物學(xué)重大項(xiàng)目的資助。(科技日?qǐng)?bào)記者 張佳星)