首頁資訊 Nature子刊：葉海峰團隊開發(fā)新型光遺傳學技術，實現光照減肥

Nature子刊：葉海峰團隊開發(fā)新型光遺傳學技術，實現光照減肥

來源：泰然健康網時間：2024年12月08日 15:18

編輯丨王多魚

排版丨水成文

光遺傳學（Optogenetics）是一門將光學和遺傳學技術相結合的新興學科，其具有遠程無痕、時空特異性、可調節(jié)性和可逆性等特點。目前被廣泛應用于生物基礎研究，如控調控基因組轉錄活性、重組信號通路、控制核酸酶的活性，此外也廣泛應用于生命醫(yī)學領域，如糖尿病治療、腫瘤治療等。

其中紅光因具有較高的生物相容性和組織穿透性備受關注。2017年，華東師范大學生命科學學院葉海峰團隊在 Science Translational Medicine 期刊發(fā)表封面論文，構建了一種利用遠紅光來調控基因表達的工具，并將合成生物學和電子工程學相結合，首次實現了通過智能手機遠程調控移植體內的光敏細胞表達釋放胰島素降血糖【1】；2021年，該團隊在 Nature Biotechnology 期刊發(fā)表論文，開發(fā)了REDMAP系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高轉錄激活效率和快速激活/失活動力學的特點【2】。

然而現有的紅光調控工具在臨床應用中仍然具有很大的局限性，比如光控模塊大，響應光的速度慢，需要外源注射色素分子等問題。

2024年11月27日，華東師范大學生命學院、上海市調控生物學重點實驗室、醫(yī)學合成生物學研究中心葉海峰團隊在 Nature Communications 期刊發(fā)表了題為：A sensitive red/far-red photoswitch for controllable gene therapy in mouse models of metabolic diseases 的研究論文，

該研究開發(fā)了一種模塊小、無需外源添加色素且靈敏度高的新型光遺傳學工具——REDLIP系統(tǒng)。

新一代光遺傳學工具REDLIP系統(tǒng)設計原理及不同應用場景

DrBphP是一種來自來源于耐輻射球菌（Deinococcus radiodurans）的光敏蛋白，它由一個核心N端PCM結構域和一個C端組氨酸激酶結構域組成。DrBphP PCM與色素（biliverdin IXα, BV）共價結合后在紅光（660 nm，Pr狀態(tài)）和紅外光（780 nm；Prf狀態(tài)）之間切換時可以發(fā)生可逆的構象變化，并能夠與納米抗體LDB3相互結合、解離。相較于來源于細菌光敏蛋白，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結構能夠維持光敏蛋白在660 nm光照后的構象（Pfr狀態(tài)）狀態(tài)，減緩其暗回復。于是，研究團隊將來源于FphA和PhyA的NTE結構分別和DrBphP-PCM進行雜交融合，生成了嵌合光敏蛋白FnBphP和PnBphP。

隨后分別將GAL4的DNA結合域融合在BphP的N端構建出可響應紅光/遠紅光的模塊（Gal4-BphP），將LDB3與轉錄激活因子（p65-HSF1）融合形成一個光依賴的轉錄激活因子（LDB3-p65-HSF1），當給予紅光（660 nm）光照時，LDB3-p65-HSF1與Gal4-BphP二聚，進入細胞核后識別報告質粒上的5×UAS區(qū)，在PTATA附近吸引RNA聚合酶，啟動報告基因SEAP表達；換成遠紅光（780 nm）時，LDB3-p65-HSF1與Gal4-BphP分開，停止表達報告蛋白。

研究團隊對不同模塊進行優(yōu)化和測試，發(fā)現Fn-REDLIP系統(tǒng)具有較高的激活能力，Pn-REDLIP系統(tǒng)具有較底的本底泄露 (圖三)。緊接著研究人員對REDLIP系統(tǒng)進行動力學表征。研究結果顯示，REDLIP系統(tǒng)具有良好的光譜特異性，光照強度、光照時間、以及高度的可逆性和時空特異性。該系統(tǒng)具有超高的靈敏度，只需要10秒鐘的紅光照射，即可實現100倍左右的基因誘導表達效果。

REDLIP光照不同時間的動力學

將REDLIP與CRISPR/dCas9結合，研究團隊構建了一套紅光調控的基因組轉錄系統(tǒng)（REDLIPcas）。在哺乳動物細胞和小鼠肝臟中實現了光照對內源基因轉錄的高效調控，且基因轉錄具有良好的光照時間依賴性。

作為概念驗證，研究團隊利用AAV病毒遞送REDLIP系統(tǒng)到代謝疾病小鼠的肌肉、肝臟組織，成功實現了光控胰島素、減肥治療蛋白TSLP的表達，從而有效降低了1型糖尿病模型小鼠的血糖水平和減輕了肥胖模型小鼠的體重。

最后，研究團隊將光遺傳學和電子工程學相結合，設計了一款能夠通過智能手機ECNU-TeleMed App控制的紅光LED貼片，LED貼片可以很好地解決自然光干擾系統(tǒng)泄露表達的問題，實驗證明，每3天只需要光照半個小時即可實現顯著體重下降，達到光照減肥的效。

智能手機控制 LED 貼片用于減肥激素的可控釋放

總的來說，REDLIP是一套無需外源添加色素、靈敏性高（< 10s）、誘導效率高（> 100倍）且具有生物兼容性好和組織穿透力強的新型光遺傳學工具，這種光控基因治療策略在需周期性調控激素類藥物的疾?。ㄈ缣悄虿?、甲狀腺疾病以及與月經周期相關的激素失衡）的精準治療中展現出潛力，有望加速基因治療和細胞治療從基礎研究向生物醫(yī)學轉化研究的進展。此外，與電子工程學的結合，能夠為未來個性化、智能化醫(yī)療領域提供可能。

論文鏈接：

1. https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.aal2298

2. https://www.nature.com/articles/s41587-021-01036-w

3. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54781-2

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