光敏蛋白施援手，科学家可定时定点重组基因
来源:科技日报
发布时间: 2020-08-04
华东师范大学生命科学学院研究员叶海峰团队近日以通讯作者身份在《自然·通讯》杂志发表论文称，他们开发了一种用远红光调控的分割型Cre-loxP重组酶系统。这种融入了光控系统的重组酶，能够像祝家庄部队一样在LED远红光照到的地方启动“战斗”，不仅实现了对基因重组的有效控制，还解决了此前困扰学界很久的生物学毒性、组织器官特异性、组织穿透性差等问题。
在《水浒传》中，宋江在祝家庄用一盏高悬的红灯笼指挥人马，取得了胜利。华东师范大学生命科学学院研究员叶海峰团队近日以通讯作者身份在《自然·通讯》杂志发表论文称，他们开发了一种用远红光调控的分割型Cre-loxP重组酶系统。这种融入了光控系统的重组酶，能够像祝家庄部队一样在LED远红光照到的地方启动“战斗”，不仅实现了对基因重组的有效控制，还解决了此前困扰学界很久的生物学毒性、组织器官特异性、组织穿透性差等问题。
基因功能研究利器却自带“痛点”
自人类基因组计划实施以来，人类虽然读出了传递“生命密码”的基因组序列，但并不清楚每个基因的功用。
为了破译基因的功能，人们通过让该基因失活，看生物体内发生的变化，或者直接把这个基因敲入到模型动物中，看试验动物发生的变化，进而研究一个基因在生命活动中的具体功能。
在Cre-loxP重组酶中，loxP序列有34个碱基对，由两端回文的各13个碱基对和中间8个非对称碱基对组成。而Cre重组酶能够对loxP序列进行特异性识别，因此Cre-loxP重组酶被誉为基因编辑神器，可以对特异位点的基因进行包括敲除、插入、翻转和易位等定向改造。
Cre-loxP重组酶系统虽然好用，但是问题来了。Cre重组酶是1981年从P1噬菌体中发现的，它本不是哺乳动物与生俱来的。loxP序列也来源于P1噬菌体。“持续稳定地表达Cre重组酶会导致早期胚胎致死问题，不利于后续基因功能的研究。”叶海峰对科技日报记者解释，另一方面，长期表达Cre重组酶也会对细胞造成一定的毒性，导致染色体的重排和细胞生理功能的紊乱。
也就是说，如果小鼠在全生命周期都表达这个外来的Cre重组酶，要么“短命”，要么“生病”。科学家用动物模型研究某个基因的功能时，空间非常有限，效果也可能不理想，在应用中产生了“痛点”。
“智能线路”满足基因改造定制要求
在此次发表的论文中，研究团队利用该课题组前期开发的远红光调控的哺乳动物细胞转基因表达控制系统，将4个主要元件拼接组装，完成了远红光到重组酶“开关”的信号通路建设。
“经过这样的改造，基因重组不仅可以在时间上受控，还可以在空间上受控，从而实现生命科学研究中的‘定制’需求。”叶海峰说，“比如，有些基因的全身性敲除是致命性的，那就不能持续研究，现在如果用光来控制基因的定点敲除，就可以研究这类关键基因的功能。”
加了“智能线路”的系统设计完成后，叶海峰团队用“3步走”的实验严谨地对整个程序进行了测试。叶海峰说，对人胚胎肾细胞的测试最开始不理想，但通过优化启动子、质粒量等参数，最终获得了最优解。
随后，研究团队分别在哺乳动物细胞中、小鼠体内进行测试后显示，重组系统在远红光照射下有较高的重组效率。小鼠活体成像和肝脏成像显示，与黑暗组小鼠相比，光照组小鼠荧光蛋白表达量更高。
一个来自微生物的蛋白堪当大任
祝家庄的红灯笼大战，靠的是人眼对红光的识别。而在生命科学的光控体系中，让生命活动与光“攀上关系”的是一种名为BphS的光敏蛋白。
人类一直希望从体外精准控制基因表达，早期希望通过化学小分子达成，形象地表述就是“用点药”“加点料”。
“我觉得小分子控制可能意义不大，因为化学分子一加进去就失去局部控制效果。”叶海峰认为，用光来控制基因的表达则不同，能够实现指哪打哪。
说到光，最先想到人眼睛的视网膜中的蛋白，因为人眼对光有感应。因此，叶海峰最先研究的是人视网膜中的光敏蛋白，但这种蛋白天生对特定频率的光敏感，而这些频率的光透皮效果差。
“为了找到好用的光敏蛋白，我们从文献中‘大海捞针’，从一些文献报道中发现微生物、植物里的远红光响应蛋白，可用光的范围更加广泛。”叶海峰说，后来有学者从微生物里鉴定找到了BphS，就是我们现在用的光敏蛋白。
“我们根据蛋白的一些功能特性，将光敏蛋白从红细菌中转移到哺乳动物体系，让其仍旧能够工作。”叶海峰说，他们设计了很多策略，通过合成生物学理论组装拼接各种部件，组装成功能不同的基因回路。
叶海峰表示，未来，“光控”基因调控系统可能会更加复杂。比如用蓝光、红光、紫光传递不同信号，进而实现多色光的控制，同时通过加入逻辑运算，控制更加复杂的细胞行为。（张佳星）
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