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轉(zhuǎn)基因斑馬魚胚胎上的閃亮藍光讓科學家選擇性地激活光敏感轉(zhuǎn)錄因子

從現(xiàn)在開始10年后，這種技術將會成為發(fā)育生物學和細胞生物學界人人使用的工具。

KevinGardner打開一個小冰箱模樣的培養(yǎng)器，看著里面閃爍的藍光，這種場景經(jīng)常讓他想起上世紀70年代的美國紐約迪斯科舞廳�！耙恍┯腥さ氖虑檎�在這里發(fā)生�！彼�提示說。不過，他說的不是迪斯科閃光燈，而是微觀層面發(fā)生的事情。

Gardner是紐約城市大學先進科學研究中心結(jié)構(gòu)生物學家，他是使用光控制蛋白活動（即光遺傳學研究）領域的專家。利用他和其他蛋白質(zhì)工程師研發(fā)的工具，科學家現(xiàn)在可以利用LED或激光閃光對諸如信號傳導或信號移動過程進行微觀層面的管理，而不是僅僅觀察這些光。例如，他們能夠輕而易舉地打開或關閉蛋白，或是在細胞內(nèi)來回移動細胞器。

過去幾年，蛋白質(zhì)工程技術研發(fā)了十余種光敏感工具，用來完成這些特殊的研究。光在通過常規(guī)方法操作細胞活動時可提供重要優(yōu)勢。其中一個優(yōu)勢是速度，化學物質(zhì)要用數(shù)分鐘進入細胞，而光需要的時間不到一秒。因此，細胞生物學家能夠研究信號通路或蛋白質(zhì)活動等快速發(fā)生過程，教堂山北卡羅來納大學醫(yī)學院細胞生物學家和蛋白質(zhì)工程專家KlausHahn說。

其另一個優(yōu)勢是光遺傳學能夠提供精確的空間控制：不是對培養(yǎng)皿中的每個細胞進行同一種小分子治療，而是細胞生物學家可以用高度聚焦的燈光打開一個細胞內(nèi)的開關，或者甚至是單個細胞的部分開關。

光遺傳學首先活躍于神經(jīng)科學領域：光控制通道可以按照意愿用來制造神經(jīng)元。但現(xiàn)在分子生物學家也在積極地擁抱這種技術�！拔磥硪荒�，只要是你能想到的組織，就會看到利用這種工具做出的成品論文產(chǎn)出。”新澤西州普林斯頓大學生物工程學家JaredToettcher說。

蛋白質(zhì)伴侶

光遺傳學中最常見的技術之一是設計兩個在光存在時可以相互結(jié)合的蛋白，形成一個“二聚物”�？茖W家有時會通過化合物形成二聚物，用光形成這種二聚物仍然相對新穎。生物學上蛋白?蛋白相互作用讓光誘導成的二聚作用成為游戲改變者，丹佛卡羅來納大學醫(yī)學院分子化學家CHandraTucker說�！叭绻�你富有創(chuàng)造性�！彼�說，“你可以通過很多方式控制蛋白質(zhì)活動�！�

荷蘭烏得勒支大學生物物理學家LukasKapitein利用光誘導的二聚作用，把個體層面的細胞器像屋子里的家具那樣安排開來�？茖W家最近認識到，細胞也會遵從一定的“風水”環(huán)境。例如，如果有很多營養(yǎng)，溶酶體（代謝細胞器）會停留在細胞的邊緣，提高新蛋白的產(chǎn)量；但是當細胞處于饑餓狀態(tài)時，溶酶體會撤退到細胞內(nèi)部，在那里它們會鼓勵細胞消化自身。在藍光下，原子核附近的過氧化物會和驅(qū)動蛋白結(jié)合，從而把它們“拖拽”到細胞外圍。

然而，細胞結(jié)構(gòu)很難拆開。Kapitein的光遺傳方法提供了精確調(diào)解一種細胞器的能力，而且是可逆的。他利用的主要光遺傳工具是可調(diào)光誘導二聚作用標簽（TULIPS），這種工具的基礎是來自燕麥的LOV感光器和以普通PDZ序列為基礎的基因工程改造的蛋白?蛋白互動區(qū)域。LOV螺旋中隱藏著一個小肽，當接觸藍光后，會和PDZ區(qū)域相結(jié)合。

研究人員把TULIP設置應用于檢測細胞核內(nèi)體的位置如何影響神經(jīng)元中的軸突生長。他們從軸突尖端移除了核內(nèi)體，使軸突停止伸展。他們又在其中加入額外的核內(nèi)體，發(fā)現(xiàn)軸突會生長得更快。因此，和線粒體一樣，這些核內(nèi)體的位置會影響細胞的形狀。

這種體系在很多細胞器中都會發(fā)揮作用，Kapitein說，從而讓科學家可以提出一些此前從未解答的關于細胞單元結(jié)構(gòu)的問題。他已經(jīng)收到數(shù)十個細胞生物學家的請求，他們希望重新排列自己重視的細胞結(jié)構(gòu)。未來，他希望找到一種移動單個細胞器以及使其停留在所希望位點的方法。

意向信號

在細胞內(nèi)有所作為，生物學家不需要改變整個細胞器的位置。很多信號通道都是從一些外部因子和細胞膜上的受體結(jié)合開始，然后是把信息從內(nèi)部一種蛋白向另一種傳輸?shù)募壜?lián)反應，比如基因表達的轉(zhuǎn)變。科學家經(jīng)常通過區(qū)分參與通道早期的蛋白，并把它們轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)膜來模仿這種效應。當?shù)鞍椎竭_細胞膜后，會表現(xiàn)出已經(jīng)收到外部信號的狀態(tài)，并開啟下游的級聯(lián)反應。

例如，Toettcher和同事利用光控制的系統(tǒng)研究Ras效應??一種參與諸如細胞增殖以及決定發(fā)育胚胎細胞命運等多個過程的信號蛋白。這個信號通道可能調(diào)節(jié)這些不同過程，因為根據(jù)其在細胞內(nèi)何時以及何地被激活，Ras可以產(chǎn)生不同的效應??但是研究人員直到今天才能研究這些細節(jié)，因為他們有了打開和關閉Ras的光遺傳工具。

Toettcher利用了光敏色素B（PhyB）?PIF二聚體系，光遺傳學家從植物遺傳學家最鐘愛的植物??擬南芥中提取到這種色素。在這種植物中，可見紅光會導致PhyB結(jié)合并激活PIF轉(zhuǎn)錄因子，擬南芥用這一機制打開一些參與種子發(fā)芽以及避蔭生長等過程的基因。但是和其他在黑暗中關閉的光遺傳系統(tǒng)不同，當PhyB和PIF接觸到波長更長的紅外線之后，就會不再穩(wěn)定。Toettcher把PhyB和細胞質(zhì)膜相結(jié)合，并把部分PIF和Ras激活因子相結(jié)合。當打開紅光后，Ras也會被打開。

因為能夠用紅外光打開與關閉Ras，因此Toettcher能夠精確地控制其激活時間，從而讓下游的反應發(fā)生很大變化。例如，打開一個細胞內(nèi)的Ras會導致其鄰居STAT3（一種可以在細胞生長和死亡等過程中發(fā)揮作用的信號轉(zhuǎn)導與轉(zhuǎn)錄激活因子）磷酸化。兩個小時的持續(xù)性紅光會刺激STAT3磷酸化，但是一小時的紅光、15分鐘的紅外光以及其他時間長度的紅光都不能發(fā)生這種作用，infraredlight說。研究人員并不清楚在Ras信號延伸后，STAT3被用于什么用途，他們猜測，這種系統(tǒng)會通過改變細胞外的輸入時間，讓一個細胞把同樣的通路應用于各種目的。

基因翻轉(zhuǎn)

只有經(jīng)過一連串的中間反應步驟后，細胞信號傳導系統(tǒng)（比如Toettcher的研究）才會影響基因激活作用。但是光遺傳工具會直接改變基因表達，或者甚至誘導基因組發(fā)生永久改變。例如，Gardner和同事、得克薩斯大學西南醫(yī)學中心生化學家及細胞生物學家LauraMotta-Mena，利用來自細菌的光激活轉(zhuǎn)錄因子，激活了一系列有機物的基因。同時，日本東京大學化學家MoritoshiSato和同事也設計了利用光激活以CRISPR-Cas9為基礎的基因目標，以此實現(xiàn)高精度控制基因編輯或表達。

類似這樣的光遺傳CRISPR工具對于那些想要在生物體內(nèi)跟蹤細胞活動的科學家來說特別有用，Hahn說。光遺傳技術可以讓科學家利用光開關激活單個基因或蛋白，下一步將是利用整個光譜控制生物學過程。

當前，光遺傳技術也存在短板。其中之一是很多系統(tǒng)存有漏洞，因為它們讓一些活動在黑暗中也能進行。而且光本身也會影響諸如轉(zhuǎn)錄以及信號傳導等細胞活動，哥倫比亞大學醫(yī)學中心干細胞生物學家MasaYazawa指出。這意味著科學家在控制這些負面效應時應該更加謹慎。

其他缺點還包括光敏感系統(tǒng)需要一種叫作生色團（色基）的化學物質(zhì)，如果科學家想要研究的細胞不能生成這種色基，科學家就要進行添加。因此會帶來不便。此外，因為這種工具非常新穎，它們的使用仍然存在各種困難。

細胞生物學家期待未來能夠更容易地利用光遺傳技術。從好的一方面來看，這一技術包裹中的發(fā)光技術相對容易。這種可獲得性將會讓以光為基礎的工具，如微生物和肽等成為細胞生物學的基礎。“從現(xiàn)在開始10年后，這種技術將會成為發(fā)育生物學和細胞生物學界人人使用的工具。”Toettcher預測說。