無需每天定時(shí)服用藥物或注射胰島素，只需每天光照1分鐘即可讓糖尿病小鼠顯著降血糖。

這得益于華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、上海市調(diào)控生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室葉海峰研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新型光遺傳學(xué)工具。日前，國際生物技術(shù)領(lǐng)域頂級期刊《自然·生物技術(shù)》在線發(fā)表了這一成果。

【不可思議的治療手段】

用一束光來治療疾病？聽上去不可思議，但光遺傳學(xué)的出現(xiàn)，使其成為可能。

光遺傳學(xué)技術(shù)具有遠(yuǎn)程無痕、時(shí)空特異性精準(zhǔn)控制的優(yōu)勢，尤其在精準(zhǔn)可控的基因治療和細(xì)胞治療領(lǐng)域具有重要意義。

然而，要真正實(shí)現(xiàn)利用一束光來治療疾病仍需克服許多問題。一個(gè)堪稱“完美”的光遺傳學(xué)工具至少需要滿足以下幾點(diǎn)：第一，響應(yīng)紅光或遠(yuǎn)紅光，這種光具有良好的組織穿透能力且?guī)缀醪淮嬖诠舛拘裕哂休^好的體內(nèi)應(yīng)用潛能；第二，系統(tǒng)元件小，才能被載體包裝；第三，靈敏度高、光響應(yīng)速度快且可以被隨時(shí)關(guān)閉，具有較好的可逆性，可根據(jù)實(shí)際需要和應(yīng)用場景靈活調(diào)節(jié)。之前的光遺傳學(xué)工具均無法同時(shí)滿足上述條件，大大限制了光遺傳學(xué)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

【“沉睡”還是“醒來”，皆可控】

葉海峰課題組將目光放在了來自植物擬南芥的光敏蛋白上，并對其進(jìn)行了工程改造。黑暗情況下，光敏蛋白在細(xì)胞中“沉睡”，660納米的紅光可“喚醒”光敏蛋白，使其招募伴侶蛋白，并結(jié)合到其特異性識別的啟動(dòng)子上，從而啟動(dòng)目標(biāo)基因轉(zhuǎn)錄；當(dāng)接收到“沉睡”信號，即730納米的遠(yuǎn)紅光照射時(shí)，光敏蛋白會(huì)與其伴侶蛋白解離，終止基因轉(zhuǎn)錄。

新型光遺傳學(xué)工具光照小鼠、大鼠、兔示意圖。 葉海峰課題組提供

這一新型光遺傳學(xué)工具有著四大優(yōu)點(diǎn)：超高靈敏度，只需要光照一秒鐘，便可誘導(dǎo)一百五十倍的基因表達(dá)；超高可控性，可通過紅光/遠(yuǎn)紅光照射，快速激活或關(guān)閉光控系統(tǒng)，已分別在小鼠、大鼠、兔中實(shí)現(xiàn)高效的光控基因表達(dá)；高度嚴(yán)謹(jǐn)性，只有當(dāng)光和色素小分子同時(shí)存在，才能激活光控開關(guān)，相當(dāng)于兩把“鑰匙”同時(shí)開一個(gè)“鎖”；光控模塊小，可通過載體遞送，在小鼠體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了長達(dá)三個(gè)月以上的基因表達(dá)控制。

研究者還展示了該系統(tǒng)的多個(gè)應(yīng)用場景，通過光控制活性蛋白的定位，調(diào)控細(xì)胞信號通路的激活與抑制；與基因編輯工具結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了對哺乳動(dòng)物細(xì)胞、小鼠肝臟及肌肉內(nèi)源基因轉(zhuǎn)錄的高效調(diào)控；在糖尿病小鼠和大鼠模型中，每天僅需光照一分鐘或五分鐘便可實(shí)現(xiàn)降血糖。這充分表明了這一新型光遺傳學(xué)工具在精準(zhǔn)可控的細(xì)胞治療領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用潛能。