LightOn：一種全新的光激活操控系統(tǒng)

日期：2012-03-16 10:33:30

3月《Nature Methods》特別介紹了一位來自中國的青年科學(xué)家：華東理工大學(xué)藥學(xué)院及國家生物反應(yīng)器工程重點實驗室特聘教授楊弋，楊弋教授早年畢業(yè)于清華大學(xué)，2006年回國受聘于華東理工大學(xué)。近期其研究組在Nature Methods上發(fā)表文章，成功開發(fā)出一種簡單、穩(wěn)定、容易使用的光調(diào)控基因表達系統(tǒng)。這項研究吸引了大家的關(guān)注，對此Nature Methods還特別介紹了楊弋教授，講述了其中的背景故事。

上篇： Nature人物：華東理工楊弋

論文發(fā)表

在2011年，中國的兔年，楊弋和他的學(xué)生開始準備論文發(fā)表，這一時間對于楊弋來說具有特殊的意義，因為他就在上一個兔年：1999年離開祖國，赴美留學(xué)。楊弋用一種特殊的方式紀念兔年——蛋白二聚體，“我們畫出了蛋白二聚體，它就像只兔子。”

除此之外，這一新系統(tǒng)的名字也具有額外的意義。“LightOn”系統(tǒng)模擬了另一常用的基因誘導(dǎo)系統(tǒng)：Tet-On（一種由四環(huán)素激活的系統(tǒng)）。與目前已有的光激活基因表達系統(tǒng)相比較，LightOn具有幾方面的優(yōu)點，除了可以在哺乳動物細胞和整體動物中，無需額外添加化學(xué)物質(zhì)激活基因表達之外，LightOn還能利用一個正交于哺乳動物細胞信號途徑的單外源蛋白，并且在光照射下能提高目標基因表達量200倍！而且光的波長，位置和時間長短還能調(diào)控基因表達的水平，以及將表達引導(dǎo)到目標器官。除此之外，這種二聚體能在幾個小時內(nèi)結(jié)構(gòu)，因此研究人員能在同一小鼠中進行多項實驗，減少實驗動物的數(shù)量。

楊弋還指出使用這種系統(tǒng)的成本并不高，“我們在淘寶上買了所需的燈具和開關(guān)，自己組裝。不用50美元就完成了光照明操控系統(tǒng)的安裝設(shè)備”，這很簡單，“在第一次實驗的時候，我們都是業(yè)余的，因此這個實驗在每個實驗室中都能進行。”

重要意義

這種LightOn系統(tǒng)是由一種光調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子和含有目的基因的轉(zhuǎn)錄單元構(gòu)成。在藍光存在的情況下，轉(zhuǎn)錄因子能夠迅速被激活，從而啟動目的基因的轉(zhuǎn)錄與表達。該系統(tǒng)不僅具有誘導(dǎo)表達效率高、背景低、激活快、表達量可調(diào)節(jié)等普通誘導(dǎo)表達系統(tǒng)也具有的優(yōu)點，而且能夠在時間和空間上的精確、可逆地控制目標基因的表達水平。

研究組利用該系統(tǒng)在小鼠活體內(nèi)進行實驗，實現(xiàn)了紅色熒光蛋白在小鼠肝臟的指定區(qū)域的光控表達。與此同時，他們還用光來控制胰島素的表達與分泌，成功地將患有I型糖尿病小鼠的血糖降到較低水平。由于這些優(yōu)點，該第三代基因表達系統(tǒng)將可使人類以前所未有的精度在調(diào)控目的基因的表達，進而控制各種生命活動，可為發(fā)育、神經(jīng)生物學(xué)的復(fù)雜生物學(xué)問題解析提供有力研究工具，也為干細胞三維定向分化與人工器官構(gòu)建、時間劑量可調(diào)的基因治療等前沿醫(yī)療領(lǐng)域提供新的思路。（文章標題：Spatiotemporal control of gene expression by a light-switchable transgene system）

楊弋研究組近年來致力于利用化學(xué)生物學(xué)理念，發(fā)展可原位、實時、動態(tài)地控制與監(jiān)測細胞內(nèi)分子過程與新陳代謝的新方法。在前期的研究中，他們建立了針對二硫鍵、相鄰巰基等蛋白質(zhì)巰基氧化還原形式的熒光探針及原位與活細胞成像技術(shù)，并揭示了線粒體活性氧對這些巰基修飾形式中的重要調(diào)控作用，為心血管、炎癥等疾病的機制研究提供了重要的工具。

之后他們還針對細胞代謝研究的技術(shù)瓶頸問題，發(fā)明了系列特異性檢測核心代謝物NADH的基因編碼熒光探針，實現(xiàn)了活細胞各亞細胞結(jié)構(gòu)中對細胞代謝的動態(tài)檢測與成像，不僅可為細胞、發(fā)育等基礎(chǔ)研究提供創(chuàng)新方法，也為癌癥和代謝類疾病的機制研究與創(chuàng)新藥物發(fā)現(xiàn)提供了有力工具。