·研究團(tuán)隊(duì)在AAV載體中還加入了生產(chǎn)胰島素和減肥治療蛋白（TSLP）的追問(wèn)照照基因，讓目標(biāo)細(xì)胞能在光控開(kāi)關(guān)的紅光控制下生產(chǎn)這兩種藥物蛋白。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，肥降擁有這些“改造”細(xì)胞的血糖疾病模型小鼠（糖尿病、肥胖），光控在通過(guò)照射紅光之后，基因技術(shù)血糖水平降低，安全體重得到控制。追問(wèn)照照
我們的紅光身體就像一個(gè)巨大的“工廠”，細(xì)胞在其中忙碌地工作。肥降基因就像是血糖工廠里的“操作手冊(cè)”，告訴細(xì)胞該做什么。光控隨著基因技術(shù)的基因技術(shù)發(fā)展，人們已經(jīng)能夠在一定程度上“改寫”基因，安全讓細(xì)胞制造特定的追問(wèn)照照產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)治療等目的。
有時(shí)，我們希望細(xì)胞在特定的時(shí)候做特定的工作，這就需要一個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。光照變化是地球上的生物共同面臨的環(huán)境，對(duì)生命節(jié)律等活動(dòng)有著重要的影響。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，光線能夠調(diào)節(jié)一些生物的基因表達(dá)，這成了構(gòu)造基因“遙控器”的靈感。近日，有研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了新一代紅光調(diào)控轉(zhuǎn)基因表達(dá)控制系統(tǒng)，能夠通過(guò)紅光照射，控制小鼠體內(nèi)經(jīng)過(guò)基因改造的細(xì)胞按需生產(chǎn)胰島素、抗肥胖藥物蛋白，實(shí)現(xiàn)減肥、降血糖的目的。
這項(xiàng)研究于2024年11月27日發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上，作者是華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、上海市調(diào)控生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)研究中心研究員葉海峰團(tuán)隊(duì)。
先前有文章報(bào)道耐輻射奇球菌的光敏蛋白DrBphP在紅光的照射下，能與納米抗體LDB3相互作用；而當(dāng)照射遠(yuǎn)紅光時(shí)，這兩種蛋白則會(huì)分離。基于此，該研究團(tuán)隊(duì)將來(lái)源于擬南芥、構(gòu)巢曲霉的光敏蛋白N端結(jié)構(gòu)分別與DrBphP的光敏核心區(qū)進(jìn)行理性組合，生成了嵌合光敏蛋白FnBphP和PnBphP，這兩個(gè)新生成的蛋白在紅光照射后與LDB3結(jié)合得更加穩(wěn)定，再經(jīng)過(guò)基因線路組裝開(kāi)發(fā)了REDLIP基因光控系統(tǒng)。
有了光控“開(kāi)關(guān)”，還要想辦法將它“安裝”到目標(biāo)細(xì)胞中。研究人員們通過(guò)一種基因治療載體（AAV，腺相關(guān)病毒）將光控系統(tǒng)基因遞送到小鼠的肌肉和肝臟組織，“指揮”它們自行生產(chǎn)出光控“開(kāi)關(guān)”并安裝到自己身上。
肌細(xì)胞和肝臟細(xì)胞本身并不能生產(chǎn)出胰島素等治療物質(zhì)。研究團(tuán)隊(duì)在AAV載體中還加入了生產(chǎn)胰島素和減肥治療蛋白（TSLP）的基因，讓目標(biāo)細(xì)胞能在光控開(kāi)關(guān)的控制下生產(chǎn)這兩種藥物蛋白。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擁有這些“改造”細(xì)胞的疾病模型小鼠（糖尿病、肥胖），在通過(guò)照射紅光之后，血糖水平降低，體重得到控制。
自然光中也包含紅光，可能在不需要治療的時(shí)候激活這些光控細(xì)胞。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種LED貼片，將這些改造的細(xì)胞（如肌肉組織處）遮蓋住，只在需要治療的時(shí)候通過(guò)智能手機(jī)APP開(kāi)啟紅光。實(shí)驗(yàn)表明每3天只需要光照半個(gè)小時(shí)即可實(shí)現(xiàn)顯著體重下降，達(dá)到光照減肥的效果。
研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)手機(jī)APP控制的LED貼片來(lái)治療經(jīng)過(guò)基因“改造”的小鼠。受訪者供圖
這種治療方式有什么優(yōu)勢(shì)？通過(guò)基因工程改造細(xì)胞安全嗎？用在人體上還要克服哪些困難？為了回答這些問(wèn)題，澎湃科技采訪了該研究通訊作者、華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副院長(zhǎng)、研究員葉海峰。
【對(duì)話】
澎湃科技：光遺傳學(xué)是什么？相比其它基因調(diào)控手段，光調(diào)控有什么特點(diǎn)？該研究為什么使用紅光？自然界中的光照會(huì)影響該系統(tǒng)的表達(dá)嗎？
葉海峰（研究通訊作者、華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副院長(zhǎng)、研究員）：光遺傳學(xué)是一種將光學(xué)和遺傳學(xué)技術(shù)相結(jié)合的新興學(xué)科，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)在特定的細(xì)胞或組織中表達(dá)光敏蛋白，使得細(xì)胞或組織在特定光照條件下發(fā)生響應(yīng)，從而能夠在光照下控制其生物學(xué)活動(dòng)。
相比其它基因調(diào)控手段，光調(diào)控的特點(diǎn)包括非侵入性、遠(yuǎn)程無(wú)痕、空間特異性、可調(diào)節(jié)性強(qiáng)等。
紅光具有較高的生物相容性和組織穿透性，能夠照射到深層次的器官，比如肝臟組織。自然界中的光是混合光，各個(gè)波長(zhǎng)的光都存在，我們的實(shí)驗(yàn)表明會(huì)有一定的干擾。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了一種智能手機(jī)控制的LED貼片，它能夠很好地解決自然光干擾的問(wèn)題。
澎湃科技：REDLIP調(diào)控系統(tǒng)的本質(zhì)是什么？研究者是如何對(duì)其改造以獲得期望的功能的？所有這些基因組件的功能都已知且唯一嗎？會(huì)不會(huì)存在意料之外的后果？
葉海峰：它的本質(zhì)是：我們將來(lái)源不同物種的光敏蛋白進(jìn)行雜交組合，生成一類嵌合光敏蛋白，使其在紅光照射后能夠與伴侶蛋白LDB3結(jié)合的更加穩(wěn)定，然后經(jīng)過(guò)人工基因線路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基因調(diào)控的目的。
我們?cè)?021年開(kāi)發(fā)了基于擬南芥PhyA的超靈敏紅光系統(tǒng)（REDMAP），當(dāng)時(shí)就好奇為什么PhyA與伴侶蛋白結(jié)合得這么靈敏，后續(xù)我們查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)相較于來(lái)源于細(xì)菌的光敏蛋白，真菌（FphA）和植物（PhyA）的光敏蛋白在N端多了一段NTE序列，有研究表明，NTE結(jié)構(gòu)能夠維持光敏蛋白在660 nm光照后的構(gòu)象（Pfr狀態(tài)）狀態(tài)，減緩其暗回復(fù)，于是我們就將其他物種的NTE結(jié)構(gòu)嫁接到細(xì)菌光敏蛋白DrBphP的N端，經(jīng)過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)確實(shí)能夠起到減緩其暗回復(fù)的效果，換個(gè)說(shuō)法就是提高了光照靈敏度。
這些組件的基本模塊功能大都是已知的，但是需要人工理性設(shè)計(jì)改造并重新拼接組裝后才能實(shí)現(xiàn)新的生物功能。比如我們用到的光敏蛋白DrBphP，它本身是一種細(xì)菌蛋白激酶，在這里我們對(duì)其C端的激酶模塊進(jìn)行了刪除，但不會(huì)影響其響應(yīng)光的性能，此外來(lái)源的酵母的GAL4，它本身既可以結(jié)合DNA特定序列還能招募RNA聚合酶，在這里我們僅僅使用了它結(jié)合DNA的模塊。
澎湃科技：研究使用AAV基因治療載體將該系統(tǒng)遞送到小鼠的肌肉和肝臟組織。能否解釋一下這個(gè)載體的原理？它是如何使目標(biāo)細(xì)胞生產(chǎn)出胰島素和減肥治療蛋白的？
葉海峰：AAV是一種常用的基因治療載體，根據(jù)血清型的不同，能夠?qū)⑼庠椿蜻f送到特定的靶細(xì)胞或組織中。在這里我們選擇的組織是肌肉和肝臟，這兩個(gè)組織在機(jī)體內(nèi)分裂增殖慢，能夠很好地作為“藥物倉(cāng)庫(kù)”。我們選擇8型或者9型AAV，利用REDLIP模塊緊湊的特點(diǎn)，將其包裝成兩個(gè)AAV載體，然后感染這兩個(gè)組織，當(dāng)需要藥物釋放時(shí)，只需要照射紅光，就可以啟動(dòng)胰島素或者抗肥胖蛋白的表達(dá)。
澎湃科技：可否將這個(gè)過(guò)程理解為“被一種人工感光病毒感染了”？它改變了小鼠本身的基因嗎？這種變化能持續(xù)多久，會(huì)不會(huì)影響到其它細(xì)胞，會(huì)不會(huì)遺傳？
葉海峰：AAV 基因治療不是感染。它通過(guò)將目的基因?qū)爰?xì)胞實(shí)現(xiàn)。有效時(shí)間因AAV載體血清型、組織類型、免疫反應(yīng)和基因特性等因素而異，從數(shù)周、數(shù)月到數(shù)年不等。一般情況下，AAV 很少整合進(jìn)細(xì)胞基因組，通常不會(huì)遺傳，在正常組織內(nèi)主要對(duì)轉(zhuǎn)導(dǎo)的細(xì)胞起作用，對(duì)其他細(xì)胞影響較小。因?yàn)锳AV不會(huì)像慢病毒那樣將基因整合到細(xì)胞基因組中，因此它不會(huì)遺傳。
澎湃科技：既然基因治療有從底層修復(fù)的能力，為什么不直接修復(fù)代謝疾病相關(guān)的基因？感光調(diào)控是否多此一舉？
葉海峰：這有兩個(gè)方面的原因。首先，基因治療雖然能夠從底層修復(fù)，但是這也存在脫靶的風(fēng)險(xiǎn)，比如基因編輯技術(shù)；其次，有些基因必須需要精準(zhǔn)的調(diào)控，過(guò)多的話副作用嚴(yán)重，過(guò)少的話起不到療效，比如很典型的胰島素或者其它激素類細(xì)胞因子等。
澎湃科技：這種技術(shù)若要使用在人體上，是否已經(jīng)成熟？還有哪些需要解決的問(wèn)題？安全性上有哪些可能的挑戰(zhàn)？
葉海峰：目前光遺傳學(xué)在人體上的應(yīng)用仍處于探索階段，盡管其在小動(dòng)物模型中表現(xiàn)出巨大的潛力，但要實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的安全、高效應(yīng)用，還需要解決一系列技術(shù)、臨床和安全性挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括基因遞送的效率與精準(zhǔn)性、光源的深度傳遞以及免疫反應(yīng)等方面。
有個(gè)令人鼓舞的案例是在2021年，瑞士巴塞爾大學(xué)與美國(guó)匹茲堡大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作在Nature Medicine上宣布，他們通過(guò)光遺傳學(xué)技術(shù)，首次成功恢復(fù)了一位盲人的部分視力，這一消息標(biāo)志著光遺傳開(kāi)始走進(jìn)臨床研究。此外在特定的場(chǎng)景下，比如糖尿病、甲狀腺疾病以及與月經(jīng)周期相關(guān)的激素失衡等，光控基因治療策略也展現(xiàn)出很大的可能性，有望加速基因治療和細(xì)胞治療從基礎(chǔ)研究向生物醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化研究的進(jìn)展。
