《Nature Biotechnology》：叶海峰团队在光遗传学技术调控外源基因表达方面取得突破性研究成果，助力光控基因疗法
来自华东师范大学生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室、华东师范大学医学合成生物学研究中心叶海峰研究团队在光遗传学技术调控外源基因表达方面取得突破性研究成果，近日，该成果以题目“A small and highly sensitive red/far-red light-mediated optogenetic switch for multiple applications in mammals”发表在生物学顶刊《Nature Biotechnology》上。
精准控制系统在基于基因和细胞的疗法中发挥着非常重要的作用，科研人员已经开发了多种光遗传学工具用于精确控制细胞内的生物过程（例如：转基因光控表达等）。来自植物、真菌和细菌的天然光敏蛋白，例如 LOV2结构域、CRY2、FKF1、VVD、EL222、PhyB、BphP1 和 BphS，已被用于设计光控开关以控制不同的生物学过程。
虽然，目前光遗传学工具广泛应用于什么科学的多个领域，但光遗传学工具的仍旧存在较大的局限性，例如，几种基于蓝光激活的控制系统，包括 CRY2/CIB1、VVD、EL222和 Magnet 系统，难以穿透致密的人体组织，为了克服这个挑战，最近开发了响应红/远红光的光遗传学系统；但目前包括红/远红光的光遗传学系统在内的光遗传学（光控）蛋白开关的分子量较大，过表达所需的基因编码序列长，使得很难用一些基因治疗载体（例如 AAV）有效装载转导入胞。再者，其光感反应灵敏性较差，光反应动力学慢（即光激活与失活速度慢）等缺点也是目前光敏蛋白的普遍存在的缺点之一。
本研究中，研究人员设计开发了一种基于 PhyA 的光遗传学开关。PhyA一种来自植物拟南芥的感受红/远红光的光敏蛋白，与称为 PCB的色素小分子共价结合。在被红光激活后，PhyA 与伴侣蛋白（包括 FHY1 和 FHY1 样 (FHL)蛋白的相互作用被转运到细胞核中。受植物中这种自然系统的启发，研究人员设计了一种用于哺乳动物的红/远红光诱导转录激活系统，被称为 REDMAP系统。两种蛋白质 PhyA 和 FHY1 可以在红光照射（660nm）下被诱导结合并在远红光（730nm）下诱导相互解离（见图1a）。
图1a. REDMAP 系统基础过程的示意图。
PhyA 相互作用域 FHY1 与 VP16 激活域 (VP64) 融合，构建成由组成型启动子驱动的光依赖性反式激活因子 (FHY1–VP64)，DNA 结合域 Gal4 与优化改造的光敏蛋白 ΔPhyA 融合构建成由组成型启动子驱动的融合光传感器模块 (ΔPhyA–Gal4)。当暴露于红光 (660 nm) 时，反式激活因子 (FHY1–VP64) 可以在光敏色素 PCB 的存在下与光传感器模块 (ΔPhyA–Gal4) 特异性结合，并且结合的蛋白质复合物易位到细胞核中可以与其特异性靶向的启动子结合以启动转基因表达。在暴露于远红光 (730 nm) 后，反式激活因子模块 (FHY1–VP64)与光传感器模块 (ΔPhyA–Gal4) 分离，从而终止特异性目的基因的表达（见图1b）。
图1b. 用于控制转基因表达的REDMAP系统的详细示意图设计。
此外，REDMAP 系统 (~3.2 kb) 可以通过 AAV 载体递送到小鼠肝脏中，并用于控制体内转基因表达。此外，研究人员实验进一步表明，在糖尿病疾病动物模型中，REDMAP系统在光控条件下可有效性降低模型动物的血糖（见图2）。
图2. REDMAP系统光控的胰岛素生成可有效控制糖尿病小鼠和大鼠的血糖稳态。
REDMAP 系统的特点是（1）编码基因序列相对短(~3.2 kb) ，可以有效包装入AAV等基因载体，（2）与现有的光遗传学工具相比，该系统具有转录激活效率高和快速激活/失活（~1 秒）动力学，有更高的灵敏度、更宽的动态范围和相对简单的开/关切换，可更精确调节细胞活动。研究人员认为在基础生物学研究中， REDMAP 系统将极大地推进其在生物活体内应用，特别是在快速、可逆地控制转基因活性方面具有明显优势。
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