編輯丨王多魚

排版丨水成文

光遺傳學(xué)（Optogenetics）是一門將光學(xué)和遺傳學(xué)技術(shù)相結(jié)合的新興學(xué)科，其具有遠(yuǎn)程無痕、時空特異性、可調(diào)節(jié)性和可逆性等特點。目前被廣泛應(yīng)用于生物基礎(chǔ)研究，如控調(diào)控基因組轉(zhuǎn)錄活性、重組信號通路、控制核酸酶的活性，此外也廣泛應(yīng)用于生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如糖尿病治療、腫瘤治療等。

其中紅光因具有較高的生物相容性和組織穿透性備受關(guān)注。2017年，華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院葉海峰團(tuán)隊在 Science Translational Medicine 期刊發(fā)表封面論文，構(gòu)建了一種利用遠(yuǎn)紅光來調(diào)控基因表達(dá)的工具，并將合成生物學(xué)和電子工程學(xué)相結(jié)合，首次實現(xiàn)了通過智能手機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)控移植體內(nèi)的光敏細(xì)胞表達(dá)釋放胰島素降血糖【1】；2021年，該團(tuán)隊在 Nature Biotechnology 期刊發(fā)表論文，開發(fā)了REDMAP系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)錄激活效率和快速激活/失活動力學(xué)的特點【2】。

然而現(xiàn)有的紅光調(diào)控工具在臨床應(yīng)用中仍然具有很大的局限性，比如光控模塊大，響應(yīng)光的速度慢，需要外源注射色素分子等問題。

2024年11月27日，華東師范大學(xué)生命學(xué)院、上海市調(diào)控生物學(xué)重點實驗室、醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)研究中心葉海峰團(tuán)隊在 Nature Communications 期刊發(fā)表了題為：A sensitive red/far-red photoswitch for controllable gene therapy in mouse models of metabolic diseases 的研究論文，

該研究開發(fā)了一種模塊小、無需外源添加色素且靈敏度高的新型光遺傳學(xué)工具——REDLIP系統(tǒng)。

新一代光遺傳學(xué)工具REDLIP系統(tǒng)設(shè)計原理及不同應(yīng)用場景

DrBphP是一種來自來源于耐輻射球菌（Deinococcus radiodurans）的光敏蛋白，它由一個核心N端PCM結(jié)構(gòu)域和一個C端組氨酸激酶結(jié)構(gòu)域組成。DrBphP PCM與色素（biliverdin IXα, BV）共價結(jié)合后在紅光（660 nm，Pr狀態(tài)）和紅外光（780 nm；Prf狀態(tài)）之間切換時可以發(fā)生可逆的構(gòu)象變化，并能夠與納米抗體LDB3相互結(jié)合、解離。相較于來源于細(xì)菌光敏蛋白，真菌（FphA）和植物（PhyA）的光敏蛋白在N端多了一段NTE序列，有研究表明，NTE結(jié)構(gòu)能夠維持光敏蛋白在660 nm光照后的構(gòu)象（Pfr狀態(tài)）狀態(tài)，減緩其暗回復(fù)。于是，研究團(tuán)隊將來源于FphA和PhyA的NTE結(jié)構(gòu)分別和DrBphP-PCM進(jìn)行雜交融合，生成了嵌合光敏蛋白FnBphP和PnBphP。

隨后分別將GAL4的DNA結(jié)合域融合在BphP的N端構(gòu)建出可響應(yīng)紅光/遠(yuǎn)紅光的模塊（Gal4-BphP），將LDB3與轉(zhuǎn)錄激活因子（p65-HSF1）融合形成一個光依賴的轉(zhuǎn)錄激活因子（LDB3-p65-HSF1），當(dāng)給予紅光（660 nm）光照時，LDB3-p65-HSF1與Gal4-BphP二聚，進(jìn)入細(xì)胞核后識別報告質(zhì)粒上的5×UAS區(qū)，在PTATA附近吸引RNA聚合酶，啟動報告基因SEAP表達(dá)；換成遠(yuǎn)紅光（780 nm）時，LDB3-p65-HSF1與Gal4-BphP分開，停止表達(dá)報告蛋白。

研究團(tuán)隊對不同模塊進(jìn)行優(yōu)化和測試，發(fā)現(xiàn)Fn-REDLIP系統(tǒng)具有較高的激活能力，Pn-REDLIP系統(tǒng)具有較底的本底泄露 (圖三)。緊接著研究人員對REDLIP系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)表征。研究結(jié)果顯示，REDLIP系統(tǒng)具有良好的光譜特異性，光照強(qiáng)度、光照時間、以及高度的可逆性和時空特異性。該系統(tǒng)具有超高的靈敏度，只需要10秒鐘的紅光照射，即可實現(xiàn)100倍左右的基因誘導(dǎo)表達(dá)效果。

REDLIP光照不同時間的動力學(xué)

將REDLIP與CRISPR/dCas9結(jié)合，研究團(tuán)隊構(gòu)建了一套紅光調(diào)控的基因組轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)（REDLIPcas）。在哺乳動物細(xì)胞和小鼠肝臟中實現(xiàn)了光照對內(nèi)源基因轉(zhuǎn)錄的高效調(diào)控，且基因轉(zhuǎn)錄具有良好的光照時間依賴性。

作為概念驗證，研究團(tuán)隊利用AAV病毒遞送REDLIP系統(tǒng)到代謝疾病小鼠的肌肉、肝臟組織，成功實現(xiàn)了光控胰島素、減肥治療蛋白TSLP的表達(dá)，從而有效降低了1型糖尿病模型小鼠的血糖水平和減輕了肥胖模型小鼠的體重。

最后，研究團(tuán)隊將光遺傳學(xué)和電子工程學(xué)相結(jié)合，設(shè)計了一款能夠通過智能手機(jī)ECNU-TeleMed App控制的紅光LED貼片，LED貼片可以很好地解決自然光干擾系統(tǒng)泄露表達(dá)的問題，實驗證明，每3天只需要光照半個小時即可實現(xiàn)顯著體重下降，達(dá)到光照減肥的效。

智能手機(jī)控制 LED 貼片用于減肥激素的可控釋放

總的來說，REDLIP是一套無需外源添加色素、靈敏性高（< 10s）、誘導(dǎo)效率高（> 100倍）且具有生物兼容性好和組織穿透力強(qiáng)的新型光遺傳學(xué)工具，這種光控基因治療策略在需周期性調(diào)控激素類藥物的疾?。ㄈ缣悄虿?、甲狀腺疾病以及與月經(jīng)周期相關(guān)的激素失衡）的精準(zhǔn)治療中展現(xiàn)出潛力，有望加速基因治療和細(xì)胞治療從基礎(chǔ)研究向生物醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化研究的進(jìn)展。此外，與電子工程學(xué)的結(jié)合，能夠為未來個性化、智能化醫(yī)療領(lǐng)域提供可能。

論文鏈接：

1. https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.aal2298

2. https://www.nature.com/articles/s41587-021-01036-w

3. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54781-2

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