光遗传学——照进细胞的一束光

 　　世界医疗网讯  基因斑马鱼胚胎上的闪亮蓝光让科学家选择性地激活光敏感转录因子。从现在开始10年后，这种技术将会成为发育生物学和细胞生物学界人人使用的工具。

　　Gardner是纽约城市大学先进科学研究中心结构生物学家，他是使用光控制蛋白活动(即光遗传学研究)领域的专家。利用他和其他蛋白质工程师研发的工具，科学家现在可以利用LED或激光闪光对诸如信号传导或信号移动过程进行微观层面的管理，而不是仅仅观察这些光。例如，他们能够轻而易举地打开或关闭蛋白，或是在细胞内来回移动细胞器。

　　过去几年，蛋白质工程技术研发了十余种光敏感工具，用来完成这些特殊的研究。光在通过常规方法操作细胞活动时可提供重要优势。其中一个优势是速度，化学物质要用数分钟进入细胞，而光需要的时间不到一秒。因此，细胞生物学家能够研究信号通路或蛋白质活动等快速发生过程，教堂山北卡罗来纳大学医学院细胞生物学家和蛋白质工程专家 Klaus Hahn说。

　　其另一个优势是光遗传学能够提供精确的空间控制：不是对培养皿中的每个细胞进行同一种小分子治疗，而是细胞生物学家可以用高度聚焦的灯光打开一个细胞内的开关，或者甚至是单个细胞的部分开关。

　　光遗传学首先活跃于神经科学领域：光控制通道可以按照意愿用来制造神经元。但现在分子生物学家也在积极地拥抱这种技术。“未来一年，只要是你能想到的组织，就会看到利用这种工具做出的成品论文产出。”新泽西州普林斯顿大学生物工程学家Jared Toettcher说。

　　蛋白质伴侣

　　光遗传学中最常见的技术之一是设计两个在光存在时可以相互结合的蛋白，形成一个“二聚物”。科学家有时会通过化合物形成二聚物，用光形成这种二聚物仍然相对新颖。生物学上蛋白—蛋白相互作用让光诱导成的二聚作用成为游戏改变者，丹佛卡罗来纳大学医学院分子化学家CHandra Tucker说。“如果你富有创造性。”她说，“你可以通过很多方式控制蛋白质活动。”

　　荷兰乌得勒支大学生物物理学家Lukas Kapitein利用光诱导的二聚作用，把个体层面的细胞器像屋子里的家具那样安排开来。科学家最近认识到，细胞也会遵从一定的“风水”环境。例如，如果有很多营养，溶酶体(代谢细胞器)会停留在细胞的边缘，提高新蛋白的产量;但是当细胞处于饥饿状态时，溶酶体会撤退到细胞内部，在那里它们会鼓励细胞消化自身。在蓝光下，原子核附近的过氧化物会和驱动蛋白结合，从而把它们“拖拽”到细胞外围。

　　然而，细胞结构很难拆开。Kapitein的光遗传方法提供了精确调解一种细胞器的能力，而且是可逆的。他利用的主要光遗传工具是可调光诱导二聚作用标签(TULIPS)，这种工具的基础是来自燕麦的LOV感光器和以普通PDZ序列为基础的基因工程改造的蛋白—蛋白互动区域。LOV螺旋中隐藏着一个小肽，当接触蓝光后，会和PDZ区域相结合。

　　研究人员把TULIP设置应用于检测细胞核内体的位置如何影响神经元中的轴突生长。他们从轴突尖端移除了核内体，使轴突停止伸展。他们又在其中加入额外的核内体，发现轴突会生长得更快。因此，和线粒体一样，这些核内体的位置会影响细胞的形状。

　　这种体系在很多细胞器中都会发挥作用，Kapitein说，从而让科学家可以提出一些此前从未解答的关于细胞单元结构的问题。他已经收到数十个细胞生物学家的请求，他们希望重新排列自己重视的细胞结构。未来，他希望找到一种移动单个细胞器以及使其停留在所希望位点的方法。

　　意向信号

　　在细胞内有所作为，生物学家不需要改变整个细胞器的位置。很多信号通道都是从一些外部因子和细胞膜上的受体结合开始，然后是把信息从内部一种蛋白向另一种传输的级联反应，比如基因表达的转变。科学家经常通过区分参与通道早期的蛋白，并把它们转移到细胞质膜来模仿这种效应。当蛋白到达细胞膜后，会表现出已经收到外部信号的状态，并开启下游的级联反应。

　　例如，Toettcher和同事利用光控制的系统研究Ras效应—— 一种参与诸如细胞增殖以及决定发育胚胎细胞命运等多个过程的信号蛋白。这个信号通道可能调节这些不同过程，因为根据其在细胞内何时以及何地被激活，Ras可以产生不同的效应——但是研究人员直到今天才能研究这些细节，因为他们有了打开和关闭Ras的光遗传工具。