诺奖「最强候选」光遗传学如何走向临床转化？华东师大学者开发新一代光遗传学工具- 大数跨境

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诺奖「最强候选」光遗传学如何走向临床转化？华东师大学者开发新一代光遗传学工具

生辉SynBio

2021-10-09

导读：光遗传学从基础研究走向医学转化。

2021 年诺贝尔奖尘埃落定。

生理学或医学奖颁发给 David Julius 和 Ardem Patapoutian，以表彰他们对于温度和触觉感受器的发现；化学奖被授予 Benjamin List 和 David W.C. MacMillan，以表彰他们在开发不对称有机催化研究中做出的突出贡献。

而今年诺奖呼声很高的光遗传领域的三位学者、2021 年拉斯克奖基础医学奖获奖者 Peter Hegemann、Karl Deisseroth 以及 Dieter Oesterhelt 未能获奖。但不可否认，光遗传学依然是未来几年诺奖的有力候选之一。

借此机会，生辉 SynBio 邀请到了华东师范大学叶海峰教授，与我们分享他在光遗传学领域的研究以及对光遗传学在医疗领域应用的见解。

视频丨叶海峰光遗传学科普

图丨叶海峰教授课题组（来源：受访人提供）

叶海峰 2007 年于华东师范大学获得理学硕士学位，后赴瑞士苏黎世联邦理工学院留学，师从 Martin Fussenegger 院士，2012 年获得生物系统工程系博士学位，并继续进行博士后研究工作，2013 年被授予瑞士苏黎世联邦理工学院最高荣誉奖章 ——ETH Silver Medal。

叶海峰现任华东师范大学生命科学学院副院长、医学合成生物学研究中心执行主任，主要从事合成生物学与生物医学工程领域的研究，利用合成生物学的理念和方法对细胞进行遗传学改造和重编程，重新设计、构建智能基因网络调控系统用于疾病的精准治疗。

拓展到神经科学之外的领域

叶海峰告诉生辉 SynBio，最早的、经典的光遗传学研究是在神经科学领域，科学家利用一束光来激活或抑制神经元的活动，可通过光照来精确控制特定神经元活动。

传统的光遗传学技术主要聚焦于使用光控离子通道类蛋白，研究已涉及神经科学研究多个方面，包括神经环路基础研究、学习记忆研究、成瘾性研究、运动障碍、睡眠障碍、帕金森症模型、抑郁症和焦虑症等。显然，光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域。其中光遗传学疗法进行的首个临床安全试验是治疗视网膜色素变性。

目前，光遗传学的定义已经有所扩展，并不局限于神经科学领域。

按照光敏蛋白功能分类，可以分为光控离子通道类蛋白和光控非离子通道类蛋白。很多科学家利用不同物种来源（植物、动物、微生物等）的非离子通道类光敏蛋白开发了一系列光遗传学工具用于光控生命活动。

这些光敏蛋白响应特定波长的光，经过一系列构象改变、蛋白间可逆结合以及聚合反应。利用这些特点，可以开发光控基因表达、光控细胞信号通路、光控细胞器定位、光控基因编辑、光控基因治疗和细胞治疗等。

这些光遗传技术提供了一种全新、无损、可逆、非侵入、远程、无痕、时空特异性的精准控制的研究手段。时空特异性是光遗传学工具的最大优势，这一特性恰好弥补了传统研究方法中的缺点和劣势。

近年来光遗传学领域在工具开发和扩展方面有了很大的发展，为细胞在不同空间和时间的动态变化的研究提供了新的研究手段，也为精准可控的基因编辑、基因治疗和细胞治疗领域提供强有力的精准控制技术的支持。

适用于哺乳动物的红光 / 远红外光开关

叶海峰课题组长期以来一直聚焦于光控非离子通道类光敏蛋白元件开发，设计、构建了一系列光遗传学工具，用于实现光控基因表达、基因编辑、基因治疗和细胞治疗等。

其课题组先后利用来自红细菌的光敏蛋白 BphS, 植物拟南芥的 PhyA 等光敏蛋白，设计开发了红光 / 远红光调控的基因控制开关，最终可以实现光控细胞命运、光控基因编辑、光控降血糖等应用。

10 月 4 日，叶海峰课题组最新研究成果在 Nature Biotechnology 上发表，题为 “A small and highly sensitive red/far-red optogenetic switch for applications in mammals （一种用于哺乳动物的小型、高灵敏红光 / 远红外光遗传学开关）。”

研究基于一种来自植物拟南芥的光感受器 PhyA 蛋白，开发了一种红光 / 远红外光的光控开关，该系统名为 “REDMAP”。

简单来说，研究人员将 PhyA 与酵母 Gal4 DNA 结合域融合，形成一种杂交 DNA 结合蛋白 PhyA-Gal4，PhyA 还共价结合了生色团 PCB；将穿梭蛋白 FHY1 与单纯疱疹病毒衍生的 VP16 激活域的四聚体 VP64 融合，形成一个由组成性启动子驱动的光依赖性反式激活子 FHY1–VP64。

在 660nm 红光光照下，PhyA-Gal4 可与 FHY1–VP64 结合并被转运到细胞核，通过 Gal4 结构域启动转录；在 730nm 远红外光光照下，PhyA–FHY1 相互作用被破坏，两者分离，转录终止。

图丨 REDMAP 系统（来源：研究论文）

后续研究人员在五种常用的哺乳动物细胞系中对 REDMAP 系统进行了测试，结果表明 REDMAP 可以特异性地被 660nm 红光激活，被 730nm 远红外光关闭，能够以较低的光照强度达到 50% 最大的转录活性，远超其它三种红光 / 远红外光控系统。

REDMAP 系统的表现正如预期，能够实现波长特异性、快速、可调和可逆的转基因激活，具有极好的时空精确度。

研究人员还进行了 4 种复杂生物过程的测试，分别是 REDMAP SOS–Ras 介导的 MAPK 信号通路控制、REDMAP 触发的 CRISPR-dCas9 基因编辑系统、AAV 介导的 REDMAP 系统递送并激活体内基因和对动物体内植入 REDMAP 细胞的光控制，REDMAP 在上述应用场景中均表现出色。

控制小鼠血糖应用

最终，研究进入到了实际应用场景的测试，1 型糖尿病（T1D）小鼠和大鼠的治疗。

研究人员将含有 REDMAP 系统的 HEK293 工程细胞通过微胶囊包裹后皮下植入 T1D 小鼠，并给予每天 1-5 分钟的 660nm 光照，结果显示光照后糖尿病小鼠的胰岛素水平显著升高，血糖降低，说明红光照射治疗可显著改善糖尿病小鼠的葡萄糖稳态。

图丨 REDMAP 介导的胰岛素分泌控制 T1D 小鼠和大鼠的葡萄糖稳态（来源：研究论文）

为了验证长期的治疗效果，研究人员给小鼠皮下移植了稳转 REDMAP 系统的 HEK293 工程细胞，每天使用 660nm 光照两次，每次 1 分钟，共持续两周，结果成功地降低了 T1D 小鼠的血糖水平，显著改善了葡萄糖耐量。

研究也对 T1D 大鼠进行了半个月的治疗，光照条件是每天两次，每次 5 分钟。同样，T1D 大鼠的血糖也得到了控制。上述结果证明了 REDMAP 系统可用于精准可控的细胞治疗的潜力。

文章指出，现有的光遗传学系统在特定的环境下表现良好，但是一些缺点阻碍了该技术的生物医学转化，例如光控开关模块复杂且大，很难用标准的基因治疗载体（例如 AAV）有效递送；现有系统通常表现出狭窄的动态范围和缓慢的活化和失活动力学特征，需要更长的光照时间；几种基于蓝光的控制系统组织透性差，阻碍了其在体内应用。

而这项研究开发的红光 / 远红光反应的光遗传学系统 REDMAP，具有结构尺寸小、时空可编程表达、光照时间短、灵敏度高以及组织透性好等特点，克服了上述的挑战，成为一种哺乳动物重要的光遗传学工具，促进了光生物学从基础研究向生物医学转化研究的发展。

叶海峰认为，光遗传学技术未来在转化医学方面的研究有着广阔的应用前景。

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