光遺傳學(xué)（Optogenetics）是一門(mén)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(wú)痕、時(shí)空特異性、可調(diào)節(jié)性和可逆性等特點(diǎn)。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(hào)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(duì)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(lái)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(shí)現(xiàn)了通過(guò)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(duì)在 Nature Biotechnology 期刊發(fā)表論文，開(kāi)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(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)【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(wèn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)研究中心葉海峰團(tuán)隊(duì)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(kāi)發(fā)了一種模塊小、無(wú)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(jì)原理及不同應(yīng)用場(chǎng)景
DrBphP是一種來(lái)自來(lái)源于耐輻射球菌（Deinococcus radiodurans）的光敏蛋白，它由一個(gè)核心N端PCM結(jié)構(gòu)域和一個(gè)C端組氨酸激酶結(jié)構(gòu)域組成。DrBphP PCM與色素（biliverdin IXα, BV）共價(jià)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(shí)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(lái)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(duì)將來(lái)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(gè)光依賴(lài)的轉(zhuǎn)錄激活因子（LDB3-p65-HSF1），當(dāng)給予紅光（660 nm）光照時(shí)，LDB3-p65-HSF1與Gal4-BphP二聚，進(jìn)入細(xì)胞核后識(shí)別報(bào)告質(zhì)粒上的5×UAS區(qū)，在PTATA附近吸引RNA聚合酶，啟動(dòng)報(bào)告基因SEAP表達(dá)；換成遠(yuǎn)紅光（780 nm）時(shí)，LDB3-p65-HSF1與Gal4-BphP分開(kāi)，停止表達(dá)報(bào)告蛋白。
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)不同模塊進(jìn)行優(yōu)化和測(cè)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(duì)REDLIP系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)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(shí)間、以及高度的可逆性和時(shí)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(shí)現(xiàn)100倍左右的基因誘導(dǎo)表達(dá)效果。
REDLIP光照不同時(shí)間的動(dòng)力學(xué)
將REDLIP與CRISPR/dCas9結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)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(dòng)物細(xì)胞和小鼠肝臟中實(shí)現(xiàn)了光照對(duì)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(shí)間依賴(lài)性。
作為概念驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)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(duì)將光遺傳學(xué)和電子工程學(xué)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款能夠通過(guò)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(wèn)題，實(shí)驗(yàn)證明，每3天只需要光照半個(gè)小時(shí)即可實(shí)現(xiàn)顯著體重下降，達(dá)到光照減肥的效果。
智能手機(jī)控制 LED 貼片用于減肥激素的可控釋放
總的來(lái)說(shuō)，REDLIP是一套無(wú)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(lèi)藥物的疾病（如糖尿病、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?yàn)槲磥?lái)個(gè)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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