光遗传学连续几年被认为是诺贝尔奖大热门，生理医学奖揭晓之前一直位列预测榜第一名。

用一束光控制生命活动，不仅炫酷而且魔幻，毕竟上帝创世第一天便说：要有光。

如果光照后肿瘤就能消失，如果光“指哪”药物就“打哪”，如果有了光神经活动就被激发……这样的魔幻随着合成生物学的精进，正在成为现实。

在体内提前“埋进”一个感光开关：660纳米（红光），打开，730纳米（远红光），关闭。10月4日，国际顶刊《自然·生物技术》刊登我院叶海峰团队在光遗传学领域的研究成果，介绍这种全新的生命“光开关”的创造和验证过程。

三分钟看懂生命“光开关”红图系统

“在植物拟南芥中有一种光敏蛋白，不同纳米的波长可以让它与自己的‘伴侣’拥抱或远离。”论文通讯作者我校生命学院、上海市调控生物学重点实验室研究员叶海峰告诉科技日报记者，光能够改变这种蛋白的三维结构，因此可以利用它来设计感光“开关”，新型生命“光开关”被命名为REDMAP（“红图”）。

《自然·生物技术》杂志网站截图

开关无延时，细胞秒反应

和疫苗、药物必须安全有效一样，生命“光开关”首先要无毒，其次要反应快。

在这一新型生命“光开关“诞生之前，有很多光遗传学系统。

“传统的光遗传学是利用光对光敏离子通道的控制，使得阳离子或者阴离子泵入到细胞中，激活或者抑制神经元细胞。”叶海峰说，但由于此类光控离子通道蛋白工作原理的局限性，很难用于开发设计光控基因“开关”，控制基因表达或编辑。

为了设计出光开关，人们开始在自然界寻找对光敏感的蛋白，例如海藻的光敏蛋白、人眼视网膜的光敏蛋白、红细菌的光敏蛋白、拟南芥的光敏蛋白等。

犹如电子计算机“从晶体管走进芯片时代”，生命元器件也在向小型化、高运算速度的方向发展。

“只有系统元件足够小，才能被载体包装，从而广泛地应用于基因治疗和基础医学研究中。”叶海峰说，元件的前期设计就应该考虑到后期应用。

为此，团队对拟南芥中的感光基因进行了不影响功能的截短，同时对整个系统的性能进行了优化。

REDMAP系统的设计和优化

“我们筛选了很多版本，使用十余种基因调控的加强方法组合测试，优化了各种元件，做了上百个分子克隆进行优化。”叶海峰回忆，最终获得的最优组合，对光的敏感性提升整整150多倍。

正是基于严苛的筛选和繁琐的优化，“红图”系统植入的细胞，能够做到“秒回应”。验证实验显示只需红光照射不到1秒钟，就能“叫醒”基因开启表达。 

光照1分钟，小鼠降血糖

通过设计和优化，“红图”系统实现了生命“光开关”需要具备的小巧和灵敏。

那么，在生命体内是不是也能发挥作用呢？

“很多外来的系统进入体内会失效或者被识别后消灭，但‘红图’系统不会。”叶海峰说，通过载体带入的整个“红图”系统至少能在体内工作3个月。

研究团队将该系统包装至腺相关病毒（AAV2/8）载体上并注射至小鼠体内，成功地在小鼠体内实现了长达三个月以上的光控基因表达。

研究人员将装载“红图”系统的工程化细胞移植至小鼠、大鼠和兔的皮下，1-5分钟红光光照即可诱导报告基因高效表达。

为了验证该系统的临床价值，研究人员以胰岛素治疗为任务，验证光开关的作用。体内胰岛素如果过多或过少，对于糖尿病人来说都存在风险，控制胰岛素的体内分泌量是糖尿病治疗的痛点。

团队将含有该系统的工程化定制细胞移植到糖尿病小鼠和大鼠体内，通过光来精准的控制胰岛素药物的表达。实验结果显示，在糖尿病小鼠和大鼠模型中，无需定时服用药物或注射胰岛素，每天仅需光照一分钟或五分钟便可实现小鼠和大鼠体内胰岛素的表达，从而精准控制实验动物的血糖稳态。实验验证了“红图”系统对细胞治疗进行精准调控。

研究团队合影

此外，论文中还介绍了大量系统验证工作，包括应用于光控基因表达的控制、细胞信号通路控制、基因编辑、基因治疗、细胞治疗等不同新兴医疗手段，实现精准、灵敏、多元的调控。

据介绍，相关工作获得国家重点研发计划“合成生物学”重点专项、国家自然科学基金、上海市科委合成生物学重大项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41587-021-01036-w