光控可逆生物分子凝聚体RELISR实现活体细胞和动物中蛋白质与mRNA的时空精准调控

本研究针对生物分子凝聚体人工操控工具匮乏的难题，开发了光控可逆存储释放系统RELISR。韩国科学技术院（KAIST）团队通过整合多价支架蛋白、光遗传开关PixD/PixE和货物结合域，构建了能时空精确控制蛋白质活性和mRNA翻译的平台。该系统在黑暗状态下形成稳定凝聚体高效捕获靶标，蓝光照射时快速释放功能蛋白（如Vav2、Rac1等）和mRNA，成功调控了神经元形态和活体小鼠的基因翻译，为研究细胞信号传导和基因治疗提供了创新工具。

　　

在生命活动的精密调控中，细胞通过无膜结构的生物分子凝聚体（biomolecular condensates）高效组织生化反应。这些由多价支架蛋白动态组装形成的"液态隔间"，既能作为信号传导的枢纽，又可充当生物分子的存储仓库。然而科学家们长期面临一个关键瓶颈：如何像操控开关般精确控制这些凝聚体的形成与解体？现有工具要么缺乏靶向特异性，要么无法同时操控蛋白质和核酸，严重制约了对相分离现象的深入研究及其应用开发。

韩国科学技术院（KAIST）的Won Do Heo团队在《Nature Communications》发表的突破性研究，带来了名为RELISR（Reversible Light-Induced Store and Release）的光控可逆存储释放系统。这个精巧的分子装置融合了三种核心元件：形成多价支架的寡聚化蛋白（如四聚体DsRed）、蓝光敏感的PixD/PixE异源寡聚系统，以及特异性结合靶标的纳米抗体（VHH_GFP）或MS2衣壳蛋白（tdMCP）。通过系统优化各模块的化学计量比，研究人员成功构建出在黑暗条件下自发组装、蓝光照射时快速解离的人工凝聚体平台。

关键技术路线包含四个关键环节：（1）基于PixD₁₀-PixE₄超分子复合体的光响应骨架设计；（2）通过荧光漂白恢复（FRAP）实验验证凝聚体稳定性；（3）采用荧光原位杂交（FISH）追踪mRNA定位；（4）建立活体小鼠模型验证光控基因表达。实验样本涵盖HeLa细胞、原代海马神经元和BALB/c小鼠等多层次模型。

设计光响应性容器系统

通过系统筛选12种不同价态组合，发现DsRed-PixD（四聚体）与SNAPtag-PixE（单体）的组合兼具高簇形成率（85.7%）和优异的光响应性（95.57%）。局部光照实验显示，特定凝聚体可在24秒内完全解离，释放的组分扩散至胞质而非发生光漂白。

蛋白质存储与释放调控

GFP纳米抗体修饰的Protein-RELISR对单体EGFP的捕获效率（Pearson系数0.9574）显著高于多聚体EGFP-AD（0.8797）。有趣的是，串联双纳米抗体（VHH_GFP×2）显著提升了对十二聚体EGFP-AD的捕获效率。FRAP实验证实凝聚体流动性仅4.4%，确保货物分子的稳定存储。

神经元中的精准操控

在原代海马神经元中，RELISR成功实现亚细胞区室的精确调控。局部光照胞体区域后，刺激区域EGFP信号下降82.6%（F₂₅/F₀=0.174），而相邻区域因扩散效应增加40.7%。

功能性蛋白的时空激活

在NIH3T3成纤维细胞中，光控释放Vav2（RhoGEF）使细胞圆形度增加1.3倍（P=0.0459）。类似地，Rac1、Cdc42等Rho GTP酶的释放均引发显著形态变化。PTEN-GFP的局部释放更导致PI(3,4,5)P₃水平下降16.9%，证实信号通路的精确调控。

mRNA翻译的光控开关

针对含24个MS2结合位点（MBS）的CFP-mRNA，tdMCP修饰的mRNA-RELISR使其翻译效率降低67%（P=0.0002）。免疫印迹显示光照后CFP表达量增加71.6%（P=0.0059）。活体实验中，光激活组小鼠的荧光素酶信号是对照组的8.5倍。

这项研究突破了传统相分离操控工具的局限性，首次实现活体水平蛋白质与mRNA的双重调控。相较于线粒体定位的LOVTRAP系统（仅改变mRNA空间分布），RELISR通过物理隔离机制更有效抑制翻译活性。该平台为研究神经元突触可塑性、肿瘤细胞迁移等过程提供了分子开关，其模块化设计更可适配CRISPR等基因编辑工具，为时空精确的基因治疗开辟新途径。研究者特别指出，虽然当前使用穿透深度有限的蓝光系统，未来整合红光调控元件将进一步提升其在深层组织中的应用潜力。