利用一束光來治療疾病？通過光照實現(xiàn)降血糖？

2021年10月4日，生物技術(shù)領(lǐng)域頂級期刊《Nature Biotechnology》在線發(fā)表了來自華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、上海市調(diào)控生物學(xué)重點實驗室、華東師范大學(xué)醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)研究中心葉海峰研究團隊的成果“A small and highly sensitive red/far-red light-mediated optogenetic switch for multiple applications in mammals”。

REDMAP系統(tǒng)原理

該研究開發(fā)了一個模塊小、靈敏度高、可逆性良好的光遺傳學(xué)工具，命名為REDMAP。研究人員將裝載REDMAP系統(tǒng)的工程化細胞移植至小鼠、大鼠和兔的皮下后，可以通過光來精準控制小鼠和大鼠體內(nèi)胰島素的表達，成功實現(xiàn)了對糖尿病小鼠和大鼠血糖穩(wěn)態(tài)的控制。無需每天定時服用藥物或注射胰島素，只需要每天光照幾分鐘即可達到顯著降血糖的效果。

據(jù)葉海峰團隊介紹，課題組將目光放在了來自植物擬南芥的光敏蛋白PhyA（phytochrome A）上，在紅光照射下，該蛋白能和其伴侶蛋白FHY1(far-red elongated hypocotyl 1)形成二聚體，并在遠紅光照射下解離。根據(jù)這一特點，研究人員構(gòu)建了基于PhyA-FHY1的轉(zhuǎn)錄激活系統(tǒng)。研究人員將PhyA與GAL4的DNA結(jié)合域融合表達，將FHY1和轉(zhuǎn)錄激活因子VP64融合表達。紅光刺激下，PhyA-GAL4和FHY1-VP64結(jié)合形成復(fù)合體并招募RNA聚合酶，從而啟動下游基因的表達。但起初，使用完整的PhyA并不能激活下游基因的表達。隨后，研究人員對其進行了工程改造，通過優(yōu)化激活子和伴侶蛋白，最終得到了一個模塊小且高度靈敏地響應(yīng)紅光的光遺傳學(xué)工具，并將其命名為REDMAP。

REDMAP介導(dǎo)的小鼠體內(nèi)長期基因控制

利用光來控制細胞信號通路可以為基礎(chǔ)研究提供便捷可控的研究方法。因此，葉海峰課題組將ΔPhyA定位到細胞膜上，將FHY1和SOS蛋白的激活域SOScat進行融合表達，通過紅光照射來控制SOScat的細胞定位，從而實現(xiàn)了Ras/MAPK信號通路的激活和去激活，成功構(gòu)建了REDMAPSOS-Ras工具。此外，研究人員還構(gòu)建了REDMAPCas工具,將REDMAP系統(tǒng)與基因編輯工具CRISPR-dCas9結(jié)合在一起，實現(xiàn)了對哺乳動物細胞、小鼠肝臟及肌肉內(nèi)源基因轉(zhuǎn)錄的高效調(diào)控。

接著，研究人員探究了REDMAP系統(tǒng)在基因治療領(lǐng)域的能力。由于截短的ΔPhyA蛋白具有較小的尺寸，可以利用腺相關(guān)病毒包裝。因此，研究人員將REDMAP包裝至腺相關(guān)病毒（AAV2/8）中并將其注射至小鼠體內(nèi)，實現(xiàn)了長達三個月以上的光控基因表達。

治療蛋白的精準控制對疾病的治療具有重要意義。研究人員將裝載REDMAP系統(tǒng)的工程化細胞移植至小鼠、大鼠和兔的皮下，探究其光響應(yīng)能力。結(jié)果顯示，短時間的光照（1-5分鐘）即可誘導(dǎo)報告基因的高效表達。接著，研究人員通過光來精準的控制小鼠和大鼠體內(nèi)胰島素的表達，成功實現(xiàn)了對糖尿病小鼠和大鼠血糖穩(wěn)態(tài)的控制。無需每天定時服用藥物或注射胰島素，只需要每天光照幾分鐘即可達到顯著降血糖的效果，這充分表明了REDMAP系統(tǒng)在精準可控的細胞治療領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用潛能。

總之，該研究開發(fā)了一個模塊小、靈敏度高、可逆性良好的光遺傳學(xué)工具，為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究，尤其是精準可控的基因治療和細胞治療領(lǐng)域提供了強有力的新型控制系統(tǒng)。

據(jù)悉，2019級博士生周陽和2020級博士生孔德強為共同第一作者，葉海峰研究員為論文的通訊作者。該研究受到了國家重點研發(fā)計劃“合成生物學(xué)”重點專項、國家自然科學(xué)基金、上海市科委合成生物學(xué)重大項目的資助。