Nat Biotechnol | 横空出世：叶海峰团队开发新一代光遗传学工具
近年来光遗传学技术凭借其远程无痕、时空特异性等优势，在精准可控的基因编辑、基因治疗和细胞治疗领域备受关注。光遗传学技术不仅能对细胞增殖、定位，信号通路转导等生物进程进行精准的控制【1-3】，在生物医学如神经生物学、肿瘤治疗、代谢疾病的治疗等领域也具有广泛应用【4】。2017年，来自华东师范大学生命科学学院的叶海峰研究员课题组在Science Translational Medicine 发表封面文章，该研究构建了一种利用远红光来调控基因表达的工具，并将合成生物学和电子工程学相结合，首次实现了通过智能手机远程调控移植体内的光敏细胞表达释放胰岛素降血糖【5】。
然而，目前的光遗传学工具在临床应用中仍然具有很大的局限性，比如感应蓝光、紫光的光系统具有一定的光学毒性和组织穿透性差等缺点，其它感应红光、远红光的光系统虽然具有良好的生物相容性和组织穿透性，但由于其光系统的光控模块大，响应光的速度慢等问题也限制着向临床的转化。
针对这些问题，2021年10月4日，华东师范大学生命学院、上海市调控生物学重点实验室、医学合成生物学研究中心研究员叶海峰团队在Nature Biotechnology杂志上以研究长文（Research Article）发表题目为 A small and highly sensitive red/far-red light-mediated optogenetic switch for multiple applications in mammals 的研究论文，历时五年，开发了一种模块小且灵敏度高的新型光遗传学工具——REDMAP系统，其设计原理图如下：
图1. REDMAP系统的设计和优化
PhyA（phytochrome A）是来自植物拟南芥中的一种光敏蛋白，其在色素小分子PCB（chromophore phycocyanobilin）的帮助下可受波长为660nm的红光和730nm的远红光调控，进而可逆的和其伴侣蛋白FHY1（far-red elongated hypocotyl 1）结合（660nm）或分离 (730nm)。根据这一特点，研究人员将PhyA和GAL4的DNA结合域进行融合表达形成了一个可受红光调控的杂交DNA结合蛋白（PhyA-Gal4），同时还将FHY1和反式作用元件VP64进行融合表达形成了一个光依赖的转录激活因子（FHY1-VP64）。红光照射下，PhyA-GAL4和FHY1-VP64二聚并入核，通过识别并特异性结合到启动子上，从而启动下游报告基因SEAP（Secreted human placental alkaline phosphatase）的表达。
研究人员对PhyA进行截短并优化了不同的转录激活因子，最终发现ΔPhyA-Gal4 (ΔPhyA, 1-617aa) 和FHY1-VP64的组合具有最好的转录激活效果（>150倍）。紧接着研究人员对REDMAP系统进行动力学表征。研究结果显示，REDMAP系统具有良好的光谱特异性，光照强度、光照时间、光敏色素浓度依赖性，以及高度的可逆性和时空特异性。并且，该系统具有超高的灵敏度，只需要1秒钟的红光（660 nm, 1 mW/cm2）照射，就可达到至少150倍的基因诱导表达效果。
随后该工作从以下四个方面展开。
第一：精准调控细胞信号通路。研究者将ΔPhyA定位到细胞膜上，同时将FHY1和SOS蛋白的激活域SOScat进行融合表达开发了REDMAPSOS-Ras工具，通过红光照射来控制SOScat的细胞定位，从而高效地调控细胞内Ras/MAPK信号的激活和去激活。
第二：高效调控细胞和小鼠内源基因的表达。研究人员将该系统与基因编辑工具CRISPR/dCas9联用开发了REDMAPCas工具，在哺乳动物细胞和小鼠肌肉、肝脏中实现了光照（660nm, 5min）对内源基因转录的高效调控，且基因转录具有良好的剂量依赖性和可逆性。
第三：通过AAV包装实现动物体内高效递送。研究人员利用REDMAP模块小的优点，将该系统包装至腺相关病毒（AAV2/8）并注射至小鼠体内，成功地在小鼠体内实现了长达三个月以上的光控基因表达。
第四：通过工程化定制细胞实现动物体内血糖的稳态控制。研究人员将这些装载REDMAP的工程化细胞移植至小鼠、大鼠和兔的皮下，红光照射48小时后可检测到显著的报告基因SEAP的表达。除此之外，研究人员还通过光来精准控制小鼠和大鼠体内胰岛素药物的表达，在糖尿病小鼠和大鼠模型中，每天仅需光照1分钟或5分钟便可实现降血糖的目的。
总之，叶海峰课题组基于蛋白异源二聚原理开发的REDMAP系统在哺乳动物细胞和动物体内具有兼容性和正交性。受红/远红光调控，与现有的光遗传学工具相比，REDMAP系统具有高转录激活效率 (1s, >150倍) 和快速激活/失活 (1s) 动力学的特点，同时该系统具有更高的灵敏度和更高的基因诱导倍数。研究者认为， 该REDMAP系统为目前报道的最先进的非离子通道类光遗传基因开关，并成功地将REDMAP用于转基因表达、调控细胞内信号通路、控制表观基因组重塑。利用AAV递送在动物体内长期进行转基因表达控制以及在糖尿病小鼠和大鼠模型中实现短暂光照调控胰岛素表达降血糖。该光控工具有望用于精准可控的基因编辑、基因治疗和细胞治疗等领域，加速了光遗传学从基础研究向生物医学转化研究的进展。
该研究中，华东师范大学为第一完成单位，2019级博士生周阳和2020级博士生孔德强为共同第一作者，叶海峰研究员为论文的通讯作者。
附叶海峰研究员团队近期部分工作：
1. （2016）华东师大学者在Nature子刊发表治疗胰岛素抵抗智能传感器的重要研究成果丨BioArt学术快递
2. （2017）【独家专访】华东师大叶海峰组首次通过智能手机实现远程调控治疗糖尿病丨BioArt特别推荐
3. （2018）亮点推荐丨叶海峰组实现远红光控制细胞命运
4. （2019）Nature Medicine 亮点丨用薄荷醇调控治疗蛋白生产的基因开关
5. （2019）专家点评 | 叶海峰团队首创通过绿茶可控精准基因表达装置
6. （2020）Science亮点 | 电遗传学——新一代精准化细胞调控的工具
7. （2020）亮点推荐 | 叶海峰团队利用“光刀”实现基因时空特异性的精准编辑
8. （2020）Nat Comm丨叶海峰团队再给光遗传学添上一大利器，这次剑指基因重组技术
9. （2020）Sci Adv | 叶海峰团队开发出一种临床药物控制的“安全锁”
10. （2021）PNAS丨可控Car-T肿瘤免疫治疗新方法——叶海峰课题组开发保健口服药白藜芦醇诱导的可控表达
参考文献
1、Yousefi, O. S. et al. Optogenetic control shows that kinetic proofreading regulates the activity of the T cell receptor. eLife 8, 42475 (2019).
2、Ma, G. et al. Optogenetic engineering to probe the molecular choreography of STIM1-mediated cell signaling. Nat. Commun. 11, 1039 (2020).
3、Tkatch, T. et al. Optogenetic control of mitochondrial metabolism and Ca(2+) signaling by mitochondria-targeted opsins. Proc. Natl Acad. Sci. USA 114, E5167-E5176 (2017).
4、E. S. Boyden, et al., Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity[J], Nat. Neurosci, 9, 1263 (2005).
5、Shao, J. et al. Smartphone-controlled optogenetically engineered cells enable semiautomatic glucose homeostasis in diabetic mice. Sci. Transl. Med. 9, eaal2298 (2017).
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