在《水滸傳》中，宋江在祝家莊用一盞高懸的紅燈籠指揮人馬，取得了勝利。華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員葉海峰團(tuán)隊(duì)近日以通訊作者身份在《自然·通訊》雜志發(fā)表論文稱，他們開發(fā)了一種用遠(yuǎn)紅光調(diào)控的分割型Cre-loxP重組酶系統(tǒng)。這種融入了光控系統(tǒng)的重組酶，能夠像祝家莊部隊(duì)一樣在LED遠(yuǎn)紅光照到的地方啟動(dòng)“戰(zhàn)斗”，不僅實(shí)現(xiàn)了對基因重組的有效控制，還解決了此前困擾學(xué)界很久的生物學(xué)毒性、組織器官特異性、組織穿透性差等問題。

基因功能研究利器卻自帶“痛點(diǎn)”

自人類基因組計(jì)劃實(shí)施以來，人類雖然讀出了傳遞“生命密碼”的基因組序列，但并不清楚每個(gè)基因的功用。

為了破譯基因的功能，人們通過讓該基因失活，看生物體內(nèi)發(fā)生的變化，或者直接把這個(gè)基因敲入到模型動(dòng)物中，看試驗(yàn)動(dòng)物發(fā)生的變化，進(jìn)而研究一個(gè)基因在生命活動(dòng)中的具體功能。

在Cre-loxP重組酶中，loxP序列有34個(gè)堿基對，由兩端回文的各13個(gè)堿基對和中間8個(gè)非對稱堿基對組成。而Cre重組酶能夠?qū)oxP序列進(jìn)行特異性識別，因此Cre-loxP重組酶被譽(yù)為基因編輯神器，可以對特異位點(diǎn)的基因進(jìn)行包括敲除、插入、翻轉(zhuǎn)和易位等定向改造。

Cre-loxP重組酶系統(tǒng)雖然好用，但是問題來了。Cre重組酶是1981年從P1噬菌體中發(fā)現(xiàn)的，它本不是哺乳動(dòng)物與生俱來的。loxP序列也來源于P1噬菌體?！俺掷m(xù)穩(wěn)定地表達(dá)Cre重組酶會導(dǎo)致早期胚胎致死問題，不利于后續(xù)基因功能的研究?！比~海峰對科技日報(bào)記者解釋，另一方面，長期表達(dá)Cre重組酶也會對細(xì)胞造成一定的毒性，導(dǎo)致染色體的重排和細(xì)胞生理功能的紊亂。

也就是說，如果小鼠在全生命周期都表達(dá)這個(gè)外來的Cre重組酶，要么“短命”，要么“生病”。科學(xué)家用動(dòng)物模型研究某個(gè)基因的功能時(shí)，空間非常有限，效果也可能不理想，在應(yīng)用中產(chǎn)生了“痛點(diǎn)”。

“智能線路”滿足基因改造定制要求

在此次發(fā)表的論文中，研究團(tuán)隊(duì)利用該課題組前期開發(fā)的遠(yuǎn)紅光調(diào)控的哺乳動(dòng)物細(xì)胞轉(zhuǎn)基因表達(dá)控制系統(tǒng)，將4個(gè)主要元件拼接組裝，完成了遠(yuǎn)紅光到重組酶“開關(guān)”的信號通路建設(shè)。

“經(jīng)過這樣的改造，基因重組不僅可以在時(shí)間上受控，還可以在空間上受控，從而實(shí)現(xiàn)生命科學(xué)研究中的‘定制’需求?！比~海峰說，“比如，有些基因的全身性敲除是致命性的，那就不能持續(xù)研究，現(xiàn)在如果用光來控制基因的定點(diǎn)敲除，就可以研究這類關(guān)鍵基因的功能?！?/p>

加了“智能線路”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，葉海峰團(tuán)隊(duì)用“3步走”的實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙φ麄€(gè)程序進(jìn)行了測試。葉海峰說，對人胚胎腎細(xì)胞的測試最開始不理想，但通過優(yōu)化啟動(dòng)子、質(zhì)粒量等參數(shù)，最終獲得了最優(yōu)解。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)分別在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中、小鼠體內(nèi)進(jìn)行測試后顯示，重組系統(tǒng)在遠(yuǎn)紅光照射下有較高的重組效率。小鼠活體成像和肝臟成像顯示，與黑暗組小鼠相比，光照組小鼠熒光蛋白表達(dá)量更高。

一個(gè)來自微生物的蛋白堪當(dāng)大任

祝家莊的紅燈籠大戰(zhàn)，靠的是人眼對紅光的識別。而在生命科學(xué)的光控體系中，讓生命活動(dòng)與光“攀上關(guān)系”的是一種名為BphS的光敏蛋白。

人類一直希望從體外精準(zhǔn)控制基因表達(dá)，早期希望通過化學(xué)小分子達(dá)成，形象地表述就是“用點(diǎn)藥”“加點(diǎn)料”。

“我覺得小分子控制可能意義不大，因?yàn)榛瘜W(xué)分子一加進(jìn)去就失去局部控制效果?！比~海峰認(rèn)為，用光來控制基因的表達(dá)則不同，能夠?qū)崿F(xiàn)指哪打哪。

說到光，最先想到人眼睛的視網(wǎng)膜中的蛋白，因?yàn)槿搜蹖庥懈袘?yīng)。因此，葉海峰最先研究的是人視網(wǎng)膜中的光敏蛋白，但這種蛋白天生對特定頻率的光敏感，而這些頻率的光透皮效果差。

“為了找到好用的光敏蛋白，我們從文獻(xiàn)中‘大海撈針’，從一些文獻(xiàn)報(bào)道中發(fā)現(xiàn)微生物、植物里的遠(yuǎn)紅光響應(yīng)蛋白，可用光的范圍更加廣泛?！比~海峰說，后來有學(xué)者從微生物里鑒定找到了BphS，就是我們現(xiàn)在用的光敏蛋白。

“我們根據(jù)蛋白的一些功能特性，將光敏蛋白從紅細(xì)菌中轉(zhuǎn)移到哺乳動(dòng)物體系，讓其仍舊能夠工作?！比~海峰說，他們設(shè)計(jì)了很多策略，通過合成生物學(xué)理論組裝拼接各種部件，組裝成功能不同的基因回路。

葉海峰表示，未來，“光控”基因調(diào)控系統(tǒng)可能會更加復(fù)雜。比如用藍(lán)光、紅光、紫光傳遞不同信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多色光的控制，同時(shí)通過加入邏輯運(yùn)算，控制更加復(fù)雜的細(xì)胞行為。