科學家們一直在尋找如何精確控制基因表達的方法，這對于生物合成和基因細胞治療等領域至關重要。最近的一項研究發現，來自植物的光敏色素伴侶蛋白可以在哺乳動物細胞中發揮重要作用。
2024年6月8日，華東師范大學生命科學學院、上海市調控生物學重點實驗室、醫學合成生物學研究中心葉海峰團隊在 Nature Communications 期刊發表了題為“Exploring plant-derived phytochrome chaperone proteins for light-switchable transcriptional regulation in mammals”的研究長文。該研究首次發現植物來源的光敏色素伴侶蛋白在哺乳動物細胞中具備轉錄激活子活性，進一步開發出了一種新型的光開關轉錄調控系統（PTRC），為生命科學基礎研究和生物醫學工程應用研究帶來了更大的可能性。
Nature Communications 刊登葉海峰團隊科研成果
PTRC系統的誕生還要從一次“失敗的實驗”說起，早在2019年設計開發REDMAP系統（該工作2022年已發表在 Nature Biotechnology 上，DOI: https://doi.org/10.1038/s41587-021-01036-w）時，科研人員發現無論光照還是黑暗，報告基因的表達幾乎沒有變化，都處于一個持續激活的狀態，甚至一度認為 PhyA 與 FHY1 在黑暗狀態下也會結合。經過后來的仔細分析，發現黑暗狀態下能持續激活的組合都是 FHY1 與 DNA 結合結構域融合表達的組。因此科研人員大膽推測 FHY1 這個植物來源的蛋白可能在哺乳動物細胞中具有轉錄激活活性。
為了驗證該猜想，通過與不同的 DNA 結合結構域進行融合，研究團隊在哺乳動物細胞和小鼠中驗證了來自擬南芥的光敏伴侶蛋白 FHY1 和 FHL 具有轉錄激活子的功能，并利用其與 PhyA 在光照下可異源二聚的能力，構建了一個可在光照條件下切換的轉錄調控復合體（PTRC）。在紅光和遠紅光的照射下，PTRC 可以在活躍和非活躍狀態之間切換，就像我們按下電燈開關一樣簡單。
為了驗證這種光敏系統的有效性，研究人員將其與一種被稱為 CRISPRa 的基因編輯工具結合，開發出了一種能夠精確控制基因表達的新平臺。通過這種平臺，科學家們可以使用光線來調節基因的表達，從而實現更加靈活和精確的基因調控。
此外，研究團隊還將 PTRC 系統與其他基因表達調控模塊結合，如化學小分子或藍光誘導模塊，構建了多種高度可調控的系統。這些系統不僅在實驗室環境中表現出色，還在活體動物實驗中展示了其快速且可逆的基因調控能力。
這種創新性的研究為合成生物學和生物醫學工程帶來了新的希望。通過引入植物來源的光敏色素伴侶蛋白，科學家們開發出了一種強大而多功能的工具，為未來的高級研究和醫學應用奠定了基礎。這一突破性成果猶如給基因表達的“開關”插上了智慧的插頭，使其變得更加靈活和高效。
PTRC系統原理圖
華東師范大學生命科學學院2020級博士生孔德強，華東師范大學附屬蕪湖醫院博士后周陽以及華東師范大學生命科學學院2021級碩士研究生魏雨為共同第一作者，葉海峰研究員與管寧子副研究員為論文的共同通訊作者。該研究受到了國家重點研發計劃“合成生物學”重點專項、國家自然科學基金、上海市科委合成生物學重大項目的資助。
附：
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49254-5
來源｜生命科學學院、科技處 編輯｜鄧安之 編審｜郭文君
