Trends Genet 综述︱周育斌/黄韵/何涟团队评述光遗传学在基因工程和转录程序设计中的应用及研究进展

撰文︱何涟

责编︱王思珍，方以一

编辑︱方以一

植物和微生物能够通过一系列的光感受器蛋白/模块响应环境变化，并利用光子来调节基因表达，实现对生命周期的调控[1]。光感受器能吸收200-800 nm 波长范围内的光，进而发生光化学反应以触发包括同源多聚、异源二聚或解离等方式的构象变化，从而影响其和目标蛋白/结构域的相互作用。同时，光感受器能在结束光刺激以后回到基准状态，实现所涉及生物过程的可逆调控。光遗传学融合了遗传学和生物光学技术，是一个能够实现高时空精度无创控制的生物过程。过去的5年中，非哺乳动物类光感受器已被成功设计并应用到转录系统、DNA重组酶、基因组或表观基因组编辑工具中[2-4]，从而能够精确控制参与调控遗传“中心法则（DNA-RNA-蛋白质）”的关键步骤。因此，了解现有光感受器的作用机制、设计原理、应用范围及最新进展，对精确操纵哺乳动物的基因组、表观基因组和表观转录组，并进一步满足人们对合成生物学和遗传学研究日益增长的需求至关重要。

2022年6月，德州农工大学健康研究中心生物科学与技术研究所周育斌教授课题组和黄韵教授受邀在Trends in Genetics上发表了题为“Optogenetics for transcriptional programming and genetic engineering”的综述[5]。第一作者藍天宏（Tien-Hung Lan）与何涟首先介绍了常见的用于光遗传学的光感应模块，接着总结了这些模块的作用原理，随后解释了如何利用光及光感应模块对动物在DNA及RNA水平上进行高时空特异性的修饰和调控，最后讨论了光遗传学当前的挑战和未来发展趋势。

这个关注的值是，本综述文章入选Trends in Genetics封面故事：光以具有非侵入性，高时空分辨率等优点被逐步应用于科学研究中。随之产生了以光为开关，光敏感蛋白为工具的新兴领域-光遗传学。解开人类基因之谜的旅程才刚刚开始，借助能响应不同波长（200-1000 nm）刺激的多功能光遗传学工具，基因工程领域在可预见的未来定会迎来精准基因调控及个性化基因疗法的突破性进展。（A person runs through the double-stranded DNA ladder means that we are at the beginning of unraveling the mystery of human genetics. Rainbow-colored arches represent different wavelengths of light stimulation used for optogenetic engineering. The very bright sun at the end of DNA ladder indicates the future of optogenetics for genetic engineering.）

一、光遗传学的光感受器及作用原理‍

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

基因组编辑和转录编辑已经成为了合成生物学和遗传学领域的两个热门的研究方向。在分子生物学“中心法则”的基因转录和mRNA翻译中存在复杂的生理过程，该过程也为光遗传学干预提供了许多机会。多种多样精心设计的光遗传学工具被用来控制细胞从DNA到RNA，最后到蛋白质的一连串过程。在这里，我们简要概括了常用的光遗传感受器模块和用于调控基因表达的控制策略（图1）：（1）光控异构，例如细菌PYP[6,7]和植物来源LOV（light-oxygen-voltage）结构域[8,9]。这些模块可以直接和目标蛋白融合，通过空间位阻来阻挡目标蛋白的活性位点；也可以直接插入目标蛋白敏感区域，从而发挥光依赖性的异构调节作用；（2）光依赖性寡聚，如CRY2[10,11]、EL222[12]等。正常生理条件下，许多细胞信号事件都是由蛋白质的二聚或者寡聚引发的。自然界进化出了许多光感应蛋白域，这些蛋白域能响应光照刺激来改变寡聚状态，从而实现对相关信号和转录事件的光学控制；（3）光依赖性异聚，这类光感受器是最常用于光遗传学转录调控和基因工程的工具[1,13]；（4）光诱导的蛋白质-蛋白质解离，包括UVR8、LOVTRAP系统等[14]；（5）光诱导自剪切：PhoCl等[15]。

图1 代表性光传感器和光学控制策略

（图源：Lan TH,et al.,Trends in Genetics, 2022）

二、哺乳动物基因组的光学调控

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

现有的光感受器已经被模块化，并设计融入转录因子、CRISPR/anti-CRISPR蛋白、Cre/Flp重组酶来实现对一系列生物过程的精确调控，如基因表达、转录程序设计、基因组/表观基因组/外转录组编辑以及DNA重组等（图2）。而实现这些基因编辑调控的重要技术手段则包括：转录调控的光诱导细胞核/细胞质穿梭工具、光照控制的基因组编辑工具、光照驱动的细胞活动信息流记录器和光依赖重组酶[16-21]。此外，相对于在DNA或蛋白质水平上进行光遗传学操作，在RNA上实现直接光学控制的方法还非常有限。最近开发的三个基于RNA的光遗传工具（图3）已实现对RNA的高时空特异性活性控制，包括mRNA光启动可逆失活的mRNA-LARIAT [22]、LicV [23]和光启动RNA m6A编辑系统CRISPR-dCas13（PAMEC）[24]。综上所述，这些 RNA 靶向的新工具为在RNA水平上对细胞信息流的精确干扰提供了更多可能性。

图2 用于转录控制和基因工程的光遗传学设备

（图源：Lan TH,et al.,Trends in Genetics, 2022）

图3 用于精确控制 RNA 的光遗传学工具

（图源：Lan TH,et al.,Trends in Genetics, 2022）

三、总结与展望

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

基于非视蛋白（opsin）的光遗传学的快速发展已经极大地丰富了可用于实时转录程序设计和基因工程的工具箱。光遗传学的转化应用需要考虑潜在的光毒性、深层组织穿透力、额外辅助因子的添加、免疫原性等因素。尽管如此，光遗传学也为高时空特异性的多种基因转录编程和可诱导的基因工程提供了新途径。在转化应用方面，通过光对治疗模块表达的精确控制已经在外源性蛋白治疗和过继性免疫治疗中取得了一定的成效。此外，在光和光源设备能方便植入的身体部位也实现了光遗传疗法的临床应用。例如，借助光遗传疗法，一名患有色素性视网膜炎的盲人患者的视力得以成功恢复[25]。具体方式是在眼中单剂量注射编码红移微生物视蛋白ChrimsonR的AAV病毒载体，并通过工程护目镜来实施光照刺激。作者期待着在不久的将来开发出克服上述限制的新一代光遗传学工具，从而加快光遗传学在基础和转化领域的研究步伐。

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168952522001408

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参考文献（上下滑动阅读）

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本文完