超级“光能力”——恢复细胞功能

辛辛那提大学的Jiajie Diao博士和他的同事在《Nature Communications》杂志上发表了一项新的研究，表明光激活蛋白可以帮助细胞功能障碍的正常化。

　　

   

   

辛辛那提大学的一项新研究表明，早期迹象表明，光可以用于治疗某些疾病，包括癌症。来自加州大学、伊利诺伊大学香槟分校和布法罗大学的研究人员在杂志上发表了他们的研究结果，证明光激活蛋白可以帮助细胞功能紊乱正常化。

研究发现

研究集中在线粒体的功能上，线粒体是细胞内的细胞器，充当细胞的“发电厂”和能量来源。细胞器是在细胞内执行各种任务的微小特殊化结构。该研究的作者之一Jiajie Diao博士说，数百个线粒体不断聚集在一起(这个过程被称为融合)，分裂成更小的部分(这个过程被称为裂变)，以保持健康细胞中的平衡。但是当线粒体不能正常工作时，裂变和融合的过程就会不平衡。这种不平衡会导致一些线粒体疾病，包括神经退行性疾病，如痴呆和某些癌症。此前的研究发现，细胞内另一种被称为溶酶体的细胞器在线粒体裂变中发挥作用。当线粒体与溶酶体接触时，溶酶体可以像剪刀一样将线粒体剪成更小的碎片。

目前的研究重点是通过将细胞内的溶酶体和线粒体结合在一起来启动裂变过程。这是通过一种被称为光遗传学的技术实现的，这种技术可以利用光精确控制特定的细胞功能。“植物中的许多蛋白质对光敏感，告诉植物是白天还是晚上。光遗传学从植物中借用了这些光敏蛋白，并在动物细胞中使用它们，”伊利诺伊大学香槟分校的副教授兼研究合著者Kai Zhang博士说，他开发了光遗传学工具，用蓝光控制线粒体和溶酶体。他说:“通过将这种蛋白质附着在细胞器上，人们可以利用光来控制它们之间的相互作用，比如这项工作中显示的线粒体和溶酶体。”

研究人员将两种独立的蛋白质连接到干细胞内的线粒体和溶酶体上。当受到蓝光的刺激时，这些蛋白质自然地结合在一起，形成一种新的蛋白质，这也使线粒体和溶酶体接触。一旦它们聚集在一起，溶酶体就能切断线粒体，实现裂变。他们发现它可以恢复线粒体功能，”一些细胞甚至可以恢复正常。这证明，通过一些简单的光刺激，至少可以部分恢复细胞的线粒体功能。

Diao博士说，这项技术可能对线粒体明显过大的患者特别有用，这些患者需要将线粒体分割成更小的片段来实现正常的细胞功能。这项技术也可以用于癌症细胞，不断地将线粒体分离成越来越小的片段，直到它们不再起作用。癌细胞最终会被杀死，因为线粒体是它们的能量，没有正常功能的线粒体，所有的癌细胞都会被杀死。由于这些蛋白质是被光激活的，这使得针对特定细胞的方法更加有针对性。只有暴露在光线下的细胞才会受到影响，这意味着附近的健康细胞不会因为这项技术而线粒体失衡。目前有其他方法可以用来诱导线粒体裂变，但光遗传方法更安全，因为它不涉及任何化学物质或有毒物质。我们所拥有的实际上是自然过程，我们只是让它更快，所以它不像化学疗法、疗法或放射疗法那样需要减少副作用。

下一个步骤

他的团队已经在研究使用同样的技术来鼓励融合，以解决线粒体因太小而无法在细胞内聚集而不平衡的问题。实验室的进一步研究还包括开发新的光遗传系统，可用于不同颜色的光，包括绿光、红光和红外线，因为需要更长的波长才能穿透人体组织。“我们希望通过引入多色光遗传系统来进一步扩大工具箱，为我们提供多种方法来控制细胞器的行为和相互作用。”Zhang说。“例如，一种颜色使细胞器聚集在一起，而另一种颜色迫使它们分开。通过这种方式，我们可以精确地控制它们的相互作用。”

从目前使用人类干细胞的研究开始，该团队希望在使用动物模型测试其有效性的过程中取得进展，最终通过临床试验在人类身上测试该技术。同时，其他研究小组正在研究用磁场和声波振动代替光来实现类似的结果。

Light-activated mitochondrial fission through optogenetic control of mitochondria-lysosome contacts