光遗传技术为细胞结构研究带来机遇

转基因斑马鱼胚胎上闪烁的蓝光使科学家能够选择性激活光敏转录因子。资料来源:安娜·里德

十年后，这项技术将成为发育生物学和细胞生物学中每个人的工具。

凯文·加德纳打开一个像冰箱一样的小培养箱，看着里面闪烁的蓝光。这一幕经常让他想起20世纪70年代纽约的迪斯科舞厅。“这里正在发生一些有趣的事情。”他建议道。然而，他谈论的不是迪斯科手电筒，而是微观层面正在发生的事情。

加德纳是纽约城市大学高级科学研究中心的结构生物学家。他是利用光来控制蛋白质活动领域的专家(即光遗传学研究)。利用他和其他蛋白质工程师开发的工具，科学家们现在可以使用发光二极管或激光闪光灯在微观层面管理信号传导或信号运动等过程，而不仅仅是观察光线。例如，它们可以很容易地打开或关闭蛋白质，或者在细胞内来回移动细胞器。

在过去的几年里，蛋白质工程技术已经开发了10多种光敏工具来完成这些特殊的研究。光在通过常规方法操纵细胞活动方面具有重要优势。优势之一是速度，化学物质进入细胞需要几分钟，而光不到一秒钟。教堂山北卡罗莱纳大学医学院的细胞生物学家和蛋白质工程专家克劳斯·哈恩说，因此，细胞生物学家可以研究信号通路或蛋白质活性等快速发生的过程。

另一个优点是，光遗传学可以提供精确的空间控制:细胞生物学家不用对培养皿中的每个细胞进行同样的小分子治疗，而是可以打开细胞内部的开关，甚至是单个细胞的部分开关，用高度聚焦的光。

光遗传学首先活跃在神经科学领域:光控制通道可以根据需要制造神经元。但是现在分子生物学家也积极地接受这项技术。“在接下来的一年里，只要你能想到一个组织，你就能看到用这个工具制作的成品论文的产出。”新泽西州普林斯顿大学的生物工程师杰瑞德·托特彻说。

蛋白质伴侣

光遗传学中最常见的技术之一是设计两种蛋白质，这两种蛋白质在光的存在下可以相互结合形成“二聚体”。科学家有时从化合物中形成二聚体，这些化合物在光的作用下仍然是相对新颖的。丹佛卡罗莱纳大学医学院的分子化学家钱德拉·塔克说，从生物学角度来说，蛋白质与蛋白质的相互作用使得光诱导的二聚化成为一个游戏规则的改变者。“如果你有创造力。”“你可以通过多种方式控制蛋白质的活性，”她说。

荷兰乌得勒支大学的生物物理学家卢卡斯·卡皮廷(Lukas Kapitein)利用光诱导的二聚作用在个体水平上排列细胞器，就像房间里的家具一样。科学家最近意识到，细胞也遵循某种“风水”环境。例如，如果有大量的营养，溶酶体(代谢细胞器)将停留在细胞的边缘，增加新蛋白质的产生；但是当细胞饥饿时，溶酶体会退回到细胞中，在那里它们会促使细胞自我消化。在蓝光下，细胞核附近的过氧化物与驱动蛋白结合，从而将它们“拖”到细胞的外围。

然而，细胞结构很难分解。卡匹汀的光遗传学方法提供了精确调节细胞器的能力，并且是可逆的。他使用的主要光遗传工具是可调光诱导二聚化标签(TULIPS)，它基于来自燕麦的LOV光感受器和基于普通PDZ序列的基因工程蛋白-蛋白相互作用区。LOV螺旋中隐藏着一种小肽，当暴露在蓝光下时，它会与PDZ区结合。

研究人员应用TULIP装置来检测细胞核内体的位置如何影响神经元的轴突生长。他们从轴突顶端移除细胞核，阻止轴突扩散。他们增加了一个额外的细胞核，发现轴突会生长得更快。因此，像线粒体一样，这些核内体的位置会影响细胞的形状。

卡皮廷说，这个系统在许多细胞器中起作用，让科学家们可以问一些以前从未被回答过的关于细胞单位结构的问题。他收到了数十位细胞生物学家的请求，他们希望重新安排他们重视的细胞结构。将来，他希望找到一种方法来移动单个细胞器，并将它们保持在所需的位置。

意向信号

为了改变细胞，生物学家不需要改变整个细胞器的位置。许多信号通道始于一些外部因素与细胞膜上受体的结合，接着是级联反应，将信息从一种蛋白质传递到另一种蛋白质，如基因表达的变化。科学家经常通过区分参与通道早期阶段的蛋白质并将它们转移到细胞质膜来模拟这种效应。当蛋白质到达细胞膜时，它将显示它已经接收到外部信号并开始下游的级联反应。

例如，托特彻和他的同事使用光控系统来研究Ras效应，这是一种参与细胞增殖和决定胚胎细胞发育命运等多种过程的信号蛋白。这一信号通道可能调节这些不同的过程，因为视细胞内激活的时间和地点而定，Ras会产生不同的效应——但是研究人员直到今天才能够研究这些细节，因为他们拥有开启和关闭Ras的轻基因工具。

托特彻使用光敏剂B (phyb)-PIF二聚系统。光遗传学家从拟南芥中提取这种色素，拟南芥是植物遗传学家最喜欢的植物。在这种植物中，可以看到红光导致PhyB结合并激活PIF转录因子。拟南芥利用这一机制打开一些与种子萌发和避光生长相关的基因。然而，与其他在黑暗中关闭的光基因系统不同，PhyB和PIF在暴露于更长波长的红外线时不再稳定。托特彻将PhyB与细胞质膜结合，一些PIF与Ras激活剂结合。红灯亮时，拉斯也会亮。

因为Ras可以用红外光来开启和关闭，所以Toettcher可以精确地控制它的激活时间，从而引起下游反应的巨大变化。例如，打开细胞中的Ras可导致其相邻STAT3的磷酸化，STAT 3是一种信号转导和转录激活因子，可在细胞生长和死亡中发挥作用。红外线灯说，连续两小时的红光可以刺激STAT3磷酸化，但是一小时的红光、15分钟的红外光和其他长度的红光不能产生这种效果。研究人员不知道在Ras信号被扩展后STAT3将被用于什么目的。他们怀疑该系统通过改变细胞外输入时间，允许细胞使用相同的途径达到不同的目的。

基因倒置

只有经过一系列中间反应步骤后，细胞信号系统(如Toettcher的研究)才能影响基因激活。然而，轻型遗传工具可以直接改变基因表达，甚至诱发基因组的永久性变化。例如，加德纳和他的同事劳拉·莫塔-梅纳，德克萨斯大学西南医学中心的生物化学家和细胞生物学家，利用细菌的光激活转录因子激活了一系列有机物质的基因。与此同时，日本东京大学的化学家Moritoshi Sato和他的同事还设计了一个基于CRISPR-Cas9的基因靶标，通过光激活实现基因编辑或表达的高精度控制。

哈恩说，像这样的光基因CRISPR工具对于想追踪活生物体中细胞活动的科学家来说特别有用。光基因技术允许科学家使用光开关激活单个基因或蛋白质。下一步将使用整个光谱来控制生物过程。

目前，还缺乏光基因技术。其中之一是许多系统是脆弱的，因为它们允许一些活动在黑暗中进行。此外，光本身也会影响细胞活动，如转录和信号转导，哥伦比亚大学医学中心的干细胞生物学家马萨·亚泽瓦说。这意味着科学家在控制这些负面影响时应该更加谨慎。

其他缺点包括在光敏系统中需要一种叫做发色团的化学物质。如果想要研究的细胞科学家不能产生这种发色团，他们会添加它。这会造成不便。此外，由于这些工具非常新颖，在使用中仍然存在各种困难。

细胞生物学家希望未来更容易利用光基因技术。从积极的一面来看，这种包装中的照明技术相对简单。这种可用性将使基于光的工具如微生物和肽成为细胞生物学的基础。“十年后，这项技术将成为发育生物学和细胞生物学中每个人的工具。”托特彻预言。(红枫)

《中国科学日报》(2015年12月31日，第三版国际版)

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