從現(xiàn)在開始10年后，這種技術(shù)將會(huì)成為發(fā)育生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)界人人使用的工具。
English version:http://www.nature.com/nature/journal/v528/n7581/full/528291a.html
來自科學(xué)網(wǎng)翻譯：http://news.sciencenet.cn/html/shownews.aspx?id=335217
上海光語生物科技有限公司將為客戶提供定制的光生物反應(yīng)器，從小型實(shí)驗(yàn)室小容量培養(yǎng)到大型戶外培養(yǎng)，讓我們用光來打開細(xì)胞內(nèi)的開關(guān)！
Kevin Gardner打開一個(gè)小冰箱模樣的培養(yǎng)器，看著里面閃爍的藍(lán)光，這種場(chǎng)景經(jīng)常讓他想起上世紀(jì)70年代的美國(guó)紐約迪斯科舞廳?！耙恍┯腥さ氖虑檎谶@里發(fā)生?！彼崾菊f。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(xué)先進(jìn)科學(xué)研究中心結(jié)構(gòu)生物學(xué)家，他是使用光控制蛋白活動(dòng)（即光遺傳學(xué)研究）領(lǐng)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(xué)家現(xiàn)在可以利用LED或激光閃光對(duì)諸如信號(hào)傳導(dǎo)或信號(hào)移動(dòng)過程進(jìn)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(guān)閉蛋白，或是在細(xì)胞內(nèi)來回移動(dòng)細(xì)胞器。
過去幾年，蛋白質(zhì)工程技術(shù)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(xì)胞活動(dòng)時(shí)可提供重要優(yōu)勢(shì)。其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)是速度，化學(xué)物質(zhì)要用數(shù)分鐘進(jìn)入細(xì)胞，而光需要的時(shí)間不到一秒。因此，細(xì)胞生物學(xué)家能夠研究信號(hào)通路或蛋白質(zhì)活動(dòng)等快速發(fā)生過程，教堂山北卡羅來納大學(xué)醫(yī)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)家和蛋白質(zhì)工程專家Klaus Hahn說。
其另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是光遺傳學(xué)能夠提供精確的空間控制：不是對(duì)培養(yǎng)皿中的每個(gè)細(xì)胞進(jìn)行同一種小分子治療，而是細(xì)胞生物學(xué)家可以用高度聚焦的燈光打開一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的開關(guān)，或者甚至是單個(gè)細(xì)胞的部分開關(guān)。
光遺傳學(xué)首先活躍于神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)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(xué)家也在積極地?fù)肀н@種技術(shù)?！拔磥硪荒?，只要是你能想到的組織，就會(huì)看到利用這種工具做出的成品論文產(chǎn)出?！毙聺晌髦萜樟炙诡D大學(xué)生物工程學(xué)家Jared Toettcher說。
蛋白質(zhì)伴侶
光遺傳學(xué)中最常見的技術(shù)之一是設(shè)計(jì)兩個(gè)在光存在時(shí)可以相互結(jié)合的蛋白，形成一個(gè)“二聚物”。科學(xué)家有時(shí)會(huì)通過化合物形成二聚物，用光形成這種二聚物仍然相對(duì)新穎。生物學(xué)上蛋白—蛋白相互作用讓光誘導(dǎo)成的二聚作用成為游戲改變者，丹佛卡羅來納大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子化學(xué)家CHandra Tucker說?！叭绻愀挥袆?chuàng)造性。”她說，“你可以通過很多方式控制蛋白質(zhì)活動(dòng)?！?/span>
荷蘭烏得勒支大學(xué)生物物理學(xué)家Lukas Kapitein利用光誘導(dǎo)的二聚作用，把個(gè)體層面的細(xì)胞器像屋子里的家具那樣安排開來。科學(xué)家最近認(rèn)識(shí)到，細(xì)胞也會(huì)遵從一定的“風(fēng)水”環(huán)境。例如，如果有很多營(yíng)養(yǎng)，溶酶體（代謝細(xì)胞器）會(huì)停留在細(xì)胞的邊緣，提高新蛋白的產(chǎn)量；但是當(dāng)細(xì)胞處于饑餓狀態(tài)時(shí)，溶酶體會(huì)撤退到細(xì)胞內(nèi)部，在那里它們會(huì)鼓勵(lì)細(xì)胞消化自身。在藍(lán)光下，原子核附近的過氧化物會(huì)和驅(qū)動(dòng)蛋白結(jié)合，從而把它們“拖拽”到細(xì)胞外圍。
然而，細(xì)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(xì)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(dǎo)二聚作用標(biāo)簽（TULIPS），這種工具的基礎(chǔ)是來自燕麥的LOV感光器和以普通PDZ序列為基礎(chǔ)的基因工程改造的蛋白—蛋白互動(dòng)區(qū)域。LOV螺旋中隱藏著一個(gè)小肽，當(dāng)接觸藍(lán)光后，會(huì)和PDZ區(qū)域相結(jié)合。
研究人員把TULIP設(shè)置應(yīng)用于檢測(cè)細(xì)胞核內(nèi)體的位置如何影響神經(jīng)元中的軸突生長(zhǎng)。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(huì)生長(zhǎng)得更快。因此，和線粒體一樣，這些核內(nèi)體的位置會(huì)影響細(xì)胞的形狀。
這種體系在很多細(xì)胞器中都會(huì)發(fā)揮作用，Kapitein說，從而讓科學(xué)家可以提出一些此前從未解答的關(guān)于細(xì)胞單元結(jié)構(gòu)的問題。他已經(jīng)收到數(shù)十個(gè)細(xì)胞生物學(xué)家的請(qǐng)求，他們希望重新排列自己重視的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。未來，他希望找到一種移動(dòng)單個(gè)細(xì)胞器以及使其停留在所希望位點(diǎn)的方法。
意向信號(hào)
在細(xì)胞內(nèi)有所作為，生物學(xué)家不需要改變整個(gè)細(xì)胞器的位置。很多信號(hào)通道都是從一些外部因子和細(xì)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?jí)聯(lián)反應(yīng)，比如基因表達(dá)的轉(zhuǎn)變?？茖W(xué)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(xì)胞質(zhì)膜來模仿這種效應(yīng)。當(dāng)?shù)鞍椎竭_(dá)細(xì)胞膜后，會(huì)表現(xiàn)出已經(jīng)收到外部信號(hào)的狀態(tài)，并開啟下游的級(jí)聯(lián)反應(yīng)。
例如，Toettcher和同事利用光控制的系統(tǒng)研究Ras效應(yīng)——一種參與諸如細(xì)胞增殖以及決定發(fā)育胚胎細(xì)胞命運(yùn)等多個(gè)過程的信號(hào)蛋白。這個(gè)信號(hào)通道可能調(diào)節(jié)這些不同過程，因?yàn)楦鶕?jù)其在細(xì)胞內(nèi)何時(shí)以及何地被激活，Ras可以產(chǎn)生不同的效應(yīng)——但是研究人員直到今天才能研究這些細(xì)節(jié)，因?yàn)樗麄冇辛舜蜷_和關(guān)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(xué)家從植物遺傳學(xué)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(huì)導(dǎo)致PhyB結(jié)合并激活PIF轉(zhuǎn)錄因子，擬南芥用這一機(jī)制打開一些參與種子發(fā)芽以及避蔭生長(zhǎng)等過程的基因。但是和其他在黑暗中關(guān)閉的光遺傳系統(tǒng)不同，當(dāng)PhyB和PIF 接觸到波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外線之后，就會(huì)不再穩(wěn)定。Toettcher把PhyB和細(xì)胞質(zhì)膜相結(jié)合，并把部分PIF和Ras激活因子相結(jié)合。當(dāng)打開紅光后，Ras也會(huì)被打開。
因?yàn)槟軌蛴眉t外光打開與關(guān)閉Ras，因此Toettcher能夠精確地控制其激活時(shí)間，從而讓下游的反應(yīng)發(fā)生很大變化。例如，打開一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的Ras會(huì)導(dǎo)致其鄰居STAT3（一種可以在細(xì)胞生長(zhǎng)和死亡等過程中發(fā)揮作用的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子）磷酸化。兩個(gè)小時(shí)的持續(xù)性紅光會(huì)刺激STAT3 磷酸化，但是一小時(shí)的紅光、15分鐘的紅外光以及其他時(shí)間長(zhǎng)度的紅光都不能發(fā)生這種作用，infrared light說。研究人員并不清楚在Ras信號(hào)延伸后，STAT3被用于什么用途，他們猜測(cè)，這種系統(tǒng)會(huì)通過改變細(xì)胞外的輸入時(shí)間，讓一個(gè)細(xì)胞把同樣的通路應(yīng)用于各種目的。
基因翻轉(zhuǎn)
只有經(jīng)過一連串的中間反應(yīng)步驟后，細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)（比如 Toettcher的研究）才會(huì)影響基因激活作用。但是光遺傳工具會(huì)直接改變基因表達(dá)，或者甚至誘導(dǎo)基因組發(fā)生永久改變。例如，Gardner和同事、得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心生化學(xué)家及細(xì)胞生物學(xué)家Laura Motta-Mena，利用來自細(xì)菌的光激活轉(zhuǎn)錄因子，激活了一系列有機(jī)物的基因。同時(shí)，日本東京大學(xué)化學(xué)家Moritoshi Sato和同事也設(shè)計(jì)了利用光激活以CRISPR-Cas9為基礎(chǔ)的基因目標(biāo)，以此實(shí)現(xiàn)高精度控制基因編輯或表達(dá)。
類似這樣的光遺傳CRISPR工具對(duì)于那些想要在生物體內(nèi)跟蹤細(xì)胞活動(dòng)的科學(xué)家來說特別有用，Hahn說。光遺傳技術(shù)可以讓科學(xué)家利用光開關(guān)激活單個(gè)基因或蛋白，下一步將是利用整個(gè)光譜控制生物學(xué)過程。
當(dāng)前，光遺傳技術(shù)也存在短板。其中之一是很多系統(tǒng)存有漏洞，因?yàn)樗鼈冏屢恍┗顒?dòng)在黑暗中也能進(jìn)行。而且光本身也會(huì)影響諸如轉(zhuǎn)錄以及信號(hào)傳導(dǎo)等細(xì)胞活動(dòng)，哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)中心干細(xì)胞生物學(xué)家Masa Yazawa指出。這意味著科學(xué)家在控制這些負(fù)面效應(yīng)時(shí)應(yīng)該更加謹(jǐn)慎。
其他缺點(diǎn)還包括光敏感系統(tǒng)需要一種叫作生色團(tuán)（色基）的化學(xué)物質(zhì)，如果科學(xué)家想要研究的細(xì)胞不能生成這種色基，科學(xué)家就要進(jìn)行添加。因此會(huì)帶來不便。此外，因?yàn)檫@種工具非常新穎，它們的使用仍然存在各種困難。
細(xì)胞生物學(xué)家期待未來能夠更容易地利用光遺傳技術(shù)。從好的一方面來看，這一技術(shù)包裹中的發(fā)光技術(shù)相對(duì)容易。這種可獲得性將會(huì)讓以光為基礎(chǔ)的工具，如微生物和肽等成為細(xì)胞生物學(xué)的基礎(chǔ)?！皬默F(xiàn)在開始10年后，這種技術(shù)將會(huì)成為發(fā)育生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)界人人使用的工具?！盩oettcher預(yù)測(cè)說。