光遺傳學——照進細胞的一束光

圖片來源：Anna Reade

　　轉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錄因子。

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

　　Kevin Gardner打開一個小冰箱模樣的培養器，看著里面閃爍的藍光，這種場景經常讓他想起上世紀70年代的美國紐約迪斯科舞廳。“一些有趣的事情正在這里發生。”他提示說。不過，他說的不是迪斯科閃光燈，而是微觀層面發生的事情。

　　Gardner是紐約城市大學先進科學研究中心結構生物學家，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工程師研發的工具，科學家現在可以利用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，或是在細胞內來回移動細胞器。

　　過去幾年，蛋白質工程技術研發了十余種光敏感工具，用來完成這些特殊的研究。光在通過常規方法操作細胞活動時可提供重要優勢。其中一個優勢是速度，化學物質要用數分鐘進入細胞，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活動等快速發生過程，教堂山北卡羅來納大學醫學院細胞生物學家和蛋白質工程專家 Klaus Hahn說。

　　其另一個優勢是光遺傳學能夠提供精確的空間控制：不是對培養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科學領域：光控制通道可以按照意愿用來制造神經元。但現在分子生物學家也在積極地擁抱這種技術。“未來一年，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出。”新澤西州普林斯頓大學生物工程學家Jared Toettcher說。

　　蛋白質伴侶

　　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合的蛋白，形成一個“二聚物”。科學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學院分子化學家CHandra Tucker說。“如果你富有創造性。”她說，“你可以通過很多方式控制蛋白質活動。”

　　荷蘭烏得勒支大學生物物理學家Lukas Kapitein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。科學家最近認識到，細胞也會遵從一定的“風水”環境。例如，如果有很多營養，溶酶體（代謝細胞器）會停留在細胞的邊緣，提高新蛋白的產量；但是當細胞處于饑餓狀態時，溶酶體會撤退到細胞內部，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動蛋白結合，從而把它們“拖拽”到細胞外圍。

　　然而，細胞結構很難拆開。Kapitein的光遺傳方法提供了精確調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—蛋白互動區域。LOV螺旋中隱藏著一個小肽，當接觸藍光后，會和PDZ區域相結合。

　　研究人員把TULIP設置應用于檢測細胞核內體的位置如何影響神經元中的軸突生長。他們從軸突尖端移除了核內體，使軸突停止伸展。他們又在其中加入額外的核內體，發現軸突會生長得更快。因此，和線粒體一樣，這些核內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構的問題。他已經收到數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構。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合開始，然后是把信息從內部一種蛋白向另一種傳輸的級聯反應，比如基因表達的轉變。科學家經常通過區分參與通道早期的蛋白，并把它們轉移到細胞質膜來模仿這種效應。當蛋白到達細胞膜后，會表現出已經收到外部信號的狀態，并開啟下游的級聯反應。

　　例如，Toettcher和同事利用光控制的系統研究Ras效應—— 一種參與諸如細胞增殖以及決定發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節這些不同過程，因為根據其在細胞內何時以及何地被激活，Ras可以產生不同的效應——但是研究人員直到今天才能研究這些細節，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結合并激活PIF轉錄因子，擬南芥用這一機制打開一些參與種子發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不同，當PhyB和PIF 接觸到波長更長的紅外線之后，就會不再穩定。Toettcher把PhyB和細胞質膜相結合，并把部分PIF和Ras激活因子相結合。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生很大變化。例如，打開一個細胞內的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揮作用的信號轉導與轉錄激活因子）磷酸化。兩個小時的持續性紅光會刺激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生這種作用，infrared light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

　　只有經過一連串的中間反應步驟后，細胞信號傳導系統（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生永久改變。例如，Gardner和同事、得克薩斯大學西南醫學中心生化學家及細胞生物學家Laura Motta-Mena，利用來自細菌的光激活轉錄因子，激活了一系列有機物的基因。同時，日本東京大學化學家Moritoshi Sato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錄以及信號傳導等細胞活動，哥倫比亞大學醫學中心干細胞生物學家Masa Yazawa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需要一種叫作生色團（色基）的化學物質，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。“從現在開始10年后，這種技術將會成為發育生物學和細胞生物學界人人使用的工具。”Toettcher預測說。