又一基因工具實現光控！可使試驗鼠局部變異

在《水滸傳》中，祝家莊用一盞高懸的紅燈籠指揮人馬，紅燈籠照到哪裡戰鬥就在哪打響，這讓宋江部隊久攻不下。

可見，「光控」能夠完美地實現安全、有效、遠程、無痕。我國科學家將這個「戰術」巧妙地融合進基因重組系統中，不僅實現了對基因重組的有效控制，還解決了此前困擾學界很久的生物學毒性、組織器官特異性、組織穿透性差等問題。

7月24日，《自然·通訊》報導了我國學者華東師範大學生命科學學院研究員葉海峰團隊開發的這一全新生物學系統——遠紅光調控的分割型Cre-loxP重組酶系統。通過合成生物學的設計，融入了光控系統的重組酶，能夠像祝家莊部隊一樣在LED遠紅光照到的地方才能啟動「戰鬥」。

基因功能研究利器卻自帶「痛點」

從包括人類基因組計劃在內的各物種基因組計劃以來，人類雖然讀出了傳遞「生命密碼」的基因組序列，但並不清楚每個基因是做什麼用。

為了破譯基因的功能，人們通過讓該基因失活，看生物體內發生的變化，或者直接把這個基因敲入到模型動物（試驗鼠最常用）中，看試驗鼠發生的變化，進而研究一個基因在生命活動中的具體功能。

Cre-loxP重組酶系統能夠對基因實現定向改造，因為Cre重組酶只認識叫做loxP的位點，所以能幫科學家做很多研究。

系統雖然好用，但是問題來了，Cre重組酶是1981年從P1噬菌體中發現的，它本不是哺乳動物與生俱來的。「持續穩定的表達Cre重組酶會導致早期胚胎致死問題，不利於後續基因功能的研究。」論文通訊作者、華東師範大學生命科學學院研究員葉海峰對科技日報解釋，另一方面，長期表達Cre重組酶也會對細胞造成一定的毒性，導致染色體的重排和細胞生理功能的紊亂。

也就是說，如果小鼠在全生命周期都表達這個外來的Cre重組酶，要麼「短命」，要麼「生病」。那留給科學家的研究空間非常有限，研究效果也可能不理想。

「近年來，科學家將合成生物學理念融入Cre-loxP重組酶系統中，開發出了一系列調控式新系統，但是這些誘導系統仍然具有一定程度的毒性，且組織穿透性差，這些都極大地限制了Cre-loxP重組酶系統在動物體內的應用。」葉海峰說，比如化學分子誘導的方法、紫光/藍光誘導的方法等，都在應用中產生了新的「痛點」。

前掛「智能線路」，滿足定製要求

在此次發表的論文中顯示，研究團隊利用該課題組前期開發的遠紅光調控的哺乳動物細胞轉基因表達控制系統，將4個主要元件拼接組裝，完成了遠紅光到重組酶「開關」的信號通路建設。

元件包括感光「活起來」的光敏蛋白、擔任「信使」的生物小分子、執行「號令」的信號蛋白、被遙控的Cre重組酶基因。「開」或者「關」的信號，經過順暢的傳導進而能夠控制Cre重組酶的產生或消失。

「經過這樣的改造，基因重組不僅可以在時間上受控（比如在小鼠的老年階段表達研究老年痴呆相關基因的功能），還可以在空間上受控（比如為了研究心衰的問題，只讓某基因在心臟部位失活）。」葉海峰說，生命科學研究中，經常會需要的這樣的「定製性」要求，就可以實現了。

「再比如，有些基因的全身性缺失是致死性的，那就不能持續研究，現在如果用光來控制基因的定點缺失，就可以研究這類關鍵基因的功能。」葉海峰說，由於遠紅光穿透性好，心臟角落裡也是可以照到的，也能夠工作。

加了「智能線路」的系統設計完成後，葉海峰團隊將其命名為「FISC系統」，並用「3步走」的實驗嚴謹地對整個程序進行了測試。

「與計算機編程相似，合成生物學的測試也是優化的過程。」葉海峰說，對人胚胎腎細胞的測試最開始不理想，但通過優化啟動子、質粒量等參數，最終獲得了最優解。

隨後，研究團隊人員分別在哺乳動物細胞中、小鼠體內測試了FISC系統，結果顯示，無論是細胞水平、小鼠體內，FISC系統在遠紅光照射下，才表現轉基因功能，並有較高效的重組效率。

為了在體內高效遞送FISC系統，研究團隊將FISC系統構建在腺病毒載體上，對轉基因報告小鼠進行轉基因操作，小鼠活體成像和肝臟成像顯示，與黑暗組小鼠相比，光照組小鼠螢光蛋白表達量更高。

一個不起眼的蛋白卻堪當大任

祝家莊的紅燈籠大戰，靠得是人眼對紅光的識別。而在生命科學的光控體系中，讓生命活動與光「攀上關係」的是一種名為BphS的光敏蛋白。

人類一直希望從外面精準控制基因表達，早期希望通過化學小分子達成，更形象地說：「用點藥」「加點料」。

「我覺得小分子控制可能意義不大，因為化學分子一加進去就失去局部控制效果。」葉海峰講道，他感覺，用光來控制基因的表達不同，能夠實現指哪打哪。

說到光，最先想到人眼睛的視網膜中的蛋白，因為人眼對光有感應。因此，葉海峰最先研究的是人視網膜中的光敏蛋白，但這種蛋白天生對特定頻率的光敏感，這些頻率透皮效果差。

「為了找到好用的光敏蛋白，我們從文獻中『大海撈針』，我發現有一些文章報導了微生物、植物裡的遠紅光響應蛋白，可用光的範圍就更廣泛了。」葉海峰說，後來有學者從微生物裡鑑定找到了BphS的光敏蛋白，就是我們現在用的光敏蛋白。

神奇的大自然中有很多類似的光敏蛋白，需要挖掘和發現、也需要探索如何善加利用，前者猶如勘探挖礦，後者猶如精煉加工。沒有後者的探索，很多時候一個蛋白的發現可能並不起眼。

「我們根據蛋白的一些功能、工作特性，將光敏蛋白從紅細菌中轉移到哺乳動物體系，讓其仍舊能夠工作。」葉海峰說，期間設計了很多策略，通過合成生物學理論組裝拼接各種部件，組裝成功能不同的基因迴路。

「未來，基因調控系統可能更加複雜。比如藍光、紅光、紫光傳遞不同的信號，進而實現多色光的控制，同時通過加入邏輯運算，控制一個更加複雜的細胞行為。」葉海峰說，總體而言，合成生物學的長遠發展將演繹更複雜的生命科學問題。

來源：科技日報（圖片由作者提供）