光遗传学技术进军新大陆:蛋白质功能研究

　　

生物通报道：北卡罗来纳大学的科学家们在光遗传学技术的基础上，开发了快速检测基因和蛋白质功能的强大工具。他们将光敏开关装到蛋白质上，然后在活细胞中用激光操纵蛋白质的移动和活性。这一重要成果发表在四月十八日的Nature Chemical Biology杂志上。

基因敲除会造成永久性改变，在我们还没发现的时候生物体系可能就做出了相应的补偿。“利用光我们可以在特定时间失活特定细胞的一个蛋白质，对其进行实时观察。这些信息有助于揭示这个蛋白的真正功能，”文章资深作者Brian Kuhlman教授说。光遗传学是神经学领域的革命性技术，可以实现精确的时间和空间控制。现在，Kuhlman教授及其同事将这一技术成功应用到了自己的功能研究中。

已知植物蛋白AsLOV2会根据光照改变形态。研究人员给AsLOV2附上一段含有核输出信号的短氨基酸序列。在黑暗条件下这段信号保持“沉默”，在蓝光照射时这段信号释放出来，使蛋白从细胞核进入细胞质。

研究人员将上述蛋白与荧光蛋白融合起来在小鼠细胞中表达。他们发现，红色荧光一开始集中在细胞核内，特定波长的光照会使荧光转移到细胞质。随后，研究人员将这些光敏开关装到蛋白质LexA和Bre1上，这两种蛋白一般位于细胞核内对DNA起作用。研究显示，在光激活之后这些蛋白都转移到了细胞质中，而且这种转移伴随着蛋白质活性的丧失。

研究人员还发现，当Bre1被移走的时候它负责的DNA修饰在几分钟内就消失了。说明这些细胞过程相当活跃，进行速度非常快。正因如此，用光遗传学方法实时观察生物学事件是很有意义的。

传统光遗传学技术是将光敏通道蛋白添加到想要研究的神经元中，通过光照选择性开启这些通道，激活或者沉默目标神经元。研究者们一直在尝试理解人类的记忆，光遗传学技术为他们提供了前所未有的便利工具。Nature杂志上同时发表了两项光遗传学研究，颠覆了人们对恐惧记忆的认识。研究显示，当恐惧记忆产生之后，检索恐惧记忆的大脑回路会随着时间推移发生改变。也就是说，回忆旧记忆的大脑通路与回忆新鲜恐惧记忆不同。（更多详细信息参见：两篇Nature发布光遗传学颠覆性发现）

Nature杂志去年年底的一项研究指出，在错综复杂的大脑神经网络中，牵动一根线就会拆开好几个回路。可以说是牵一发而动全身。通过光遗传学技术或药物操纵大脑的神经回路，会出现误导性的现象，使人们得出没有根据的结论。（更多详细信息参见：Nature：革命性技术遭质疑，牵一发而动全身？）

Salk 研究所的科学家们在Nature Communications杂志上发表了一项新技术，用超声波选择性激活大脑、心脏、肌肉和其他类型的细胞。这种声遗传学（sonogenetics）技术使用临床上的医学超声波，在治疗人类疾病的时候可能比光遗传学更有优势。此外，低频超声波穿透性很强，更容易刺激机体深处的细胞。（更多详细信息参见：Nature子刊：超越光遗传学的新技术）

生物通编辑：叶予

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