Chemical Science:合肥研究院等在光遺傳學工具開發方面取得新進展

 

近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員王俊峰課題組與美國德克薩斯大學教授黃韻、周育斌課題組合作，研發了一種能夠利用可見光在納米尺度上精確調控細胞器之間連接的新型光遺傳學工具。該工作以Optical Control of Membrane Tethering and Interorganellar Communication at Nanoscales為題，作為封面文章發表於英國皇家化學會期刊Chemical Science（2017，8， 5275-5281）。

內質網是真核細胞內重要的細胞器，是由雙層膜組成的腔體結構。它與細胞內其它各種不同的膜組分（質膜、線粒體膜等）有著動態的相互作用和信息交流，形成了一個巨大的細胞內膜網絡。內質網與質膜之間，通過內質網上的膜蛋白識別質膜內側特異性分布的磷脂肌醇，形成距離為10-40納米的膜接觸位點（membrane contact site）。膜接觸位點在膜運輸、鈣離子穩態和脂代謝等許多細胞生理過程中發揮了非常重要的作用，是近年來的一個新興研究熱點。但由於缺乏有效的實驗工具，對膜接觸位點形成機理和功能的研究十分有限。

光遺傳學是利用光學和遺傳學來控制蛋白活性和細胞功能的一項生物學技術，具有得天獨厚的優勢，例如光遺傳學的可操作性好、實時可逆，定位精準、對細胞組織無創傷等。為了更好研究膜接觸位點的功能，兩個課題組開發了一種用藍光調控，可在細胞質與質膜之間穿梭的光遺傳學工具——OptoPB。OptoPB是一個主要由光敏蛋白LOV2和Polybasic(PB)域組成的融合蛋白。在黑暗中，N端的LOV2像一把鎖，將C端的PB蛋白鎖定在核心結構上。經過藍光照射，LOV2末端的Jα螺旋在幾秒內被解構打開，將PB蛋白釋放。因PB蛋白富含精氨酸、賴氨酸之類的鹼性胺基酸可以與質膜內側帶酸性的磷酸肌醇磷脂PI(4，5)P2和/或PI(3，4，5)P3發生相互作用，從而把蛋白錨定至質膜。撤去光照之後，OptoPB可以在1分鐘內迅速從質膜上回落並彌散在細胞質中。

利用核磁共振和分子動力學模擬手段對黑暗條件下的OptoPB蛋白建模後，課題組發現LOV2表面有兩個帶有負電荷的結合口袋，可以很好地將具有強正電荷的PB蛋白限制在LOV2核心結構域上，從而不與質膜發生結合。在光照條件下，OptoPB能夠迅速地轉移至質膜附近。整個穿梭過程可以通過明暗交替操作達到可逆控制。為了進一步調控內質網與質膜的膜接觸位點的形成，兩個課題組合作在OptoPB的N端插入了內質網膜定位的序列，形成了內質網跨膜蛋白OptoPBer。同時為了精確地調控內質網與質膜之間形成的膜接觸位點的距離，在OptoPBer與跨膜區之間加入了不同數量的（EAAAR）4n α-螺旋序列（n=1-8）。在藍光照射下，由於插入（EAAAR）4數量的不同，可以有效地控制內質網與細胞膜之間形成約為10至40納米的空間距離。利用此項獨特的設計，兩個課題組在納米數量級成功地實現了用藍光來遙控內質網和質膜接觸位點的間距，並控制其相關的功能。

該研究的意義在於可以通過光這種非侵入性、在時間與空間上具有高度可操作性的刺激源，來完成蛋白質的亞細胞定位高效、可逆地控制蛋白質的亞細胞定位、磷酸肌醇磷脂代謝以及細胞內膜系統之間的接觸位點的形成。這一實驗技術擺脫了傳統實驗技術手段的束縛，讓複雜、難以調控的生命活動，可在藍光的控制下模擬進行，具有十分廣泛的應用前景。同樣，光遺傳學蛋白質工程方法可以進一步拓展至其它亞細胞器之間膜接觸位點的研究。為研究者調節蛋白與膜相互作用、膜與膜之間細胞信號通路轉導等提供了新型有效的技術手段。

王俊峰課題組博士後朱磊和周育斌課題組博士研究生何漣、荊吉是該文章的共同第一作者，王俊峰、周育斌和黃韻為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、科技部、中國國家留學基金委項目的資助，部分實驗依託穩態強磁場大科學實驗裝置完成。(生物谷Bioon.com）