Cell：利用电磁场来实现精准且可逆的基因表达

　　

在生物医学应用中，对基因表达进行精确控制至关重要。然而，目前的基因开关在时空精度方面存在局限，且可能产生不良影响。

近日，韩国东国大学（Dongguk University）的研究人员开发出一种电磁场诱导的基因开关，能够对基因表达进行完全可逆的控制，既安全又精确。

这项研究成果发表在《Cell》杂志上，为深入了解基因表达和开展基因治疗提供了一种强大的非侵入性工具。

DNA中包含调控元件，这些元件控制着特定基因在何时、何地以及以何种程度开启或关闭。以此为基础构建的“基因开关”在了解基因功能和开展基因治疗方面拥有巨大的潜力。

近年来，研究人员开发了多种基因开关，能够利用药物、光、热、超声波和电信号等刺激，远程控制生物体内的基因表达。

不过，现有的基因开关在精确控制基因表达的时间方面仍然存在局限。此外，基于药物的基因开关可能产生不良副作用，而某些刺激（如光）则难以穿透深层组织。

为了克服这些局限性，东国大学的研究团队开发出一种新型电磁场（EMF）响应型基因开关。

通讯作者、东国大学的Jongpil Kim博士解释说：“之前的研究表明，极低频电磁场能够调节与应激反应、表观遗传重塑和细胞信号传导相关的特定基因的表达。此外，电磁场是非侵入性且可逆的，能精确穿透目标组织或身体部位，这使其在远程控制基因开关方面极具吸引力。”

在这项研究中，研究人员利用Lgr4基因的启动子构建了一个稳定的电磁场诱导型基因开关，并证明了它可以应用于阿尔茨海默病模型构建以及逆转小鼠的衰老标志物。

为了鉴定对电磁场有反应的基因，他们对暴露于2.0 mT和60 Hz电磁场后的小鼠脑组织进行了单细胞RNA测序，发现Lgr4基因的表达出现特异性上调。

通过一系列验证实验，研究团队发现Lgr4的启动子非常适合构建电磁场诱导型（Ei）基因开关，在研究过程中表现出精确的激活效果，且未检测到任何不良影响。

为了在活体动物中评估其效果，他们将Ei元件与GFP报告基因连接，从而实现基因活性的可视化。随后，他们培育了携带GFP的转基因小鼠。在暴露于电磁场后，小鼠全身均表现出强烈的GFP表达，而定向电磁场暴露则在特定器官中诱导了局部基因表达。

在停止电磁场刺激后，基因表达在24小时内恢复至基线水平，这表明Ei基因开关具有高度可调性和可逆性，能够对基因表达进行精确的远程控制。

通过全基因组CRISPR-Cas9敲除筛选，研究人员确定了细胞色素b5 B型（Cyb5b）是电磁场的生物传感器。进一步分析表明，由于电磁场暴露，Cyb5b会在细胞内产生节律性的钙离子内流振荡，作为激活目标基因的特定密码。

研究人员还展示了Ei基因开关的多种应用，例如，他们建立了一种将大脑衰老与β-淀粉样蛋白斑块沉积脱钩的阿尔茨海默病小鼠模型。

此外，通过周期性电磁场暴露，他们在衰老和早衰小鼠模型中实现了部分细胞重编程，在未观察到明显不良影响的情况下改善了多项与衰老相关的指标。团队还通过调控Tph2基因的表达，恢复了小鼠的血清素水平并减轻了抑郁样行为。

共同第一作者、东国大学的Yerim Hwang博士表示：“这项技术有望使基因治疗摆脱单次、不可逆的给药模式，转变为由医生（甚至可穿戴设备）实施的更简单的实时治疗。”

她补充道，尽管还需要进一步的验证和测试，但Ei基因开关为开发非侵入性、远程控制的基因疗法提供了一个极具前景的平台。