光遺傳學（Optogenetics）是一門將光學和遺傳學技術相結合的新興學科，具有遠程無痕、時空特異性等特點。目前被廣泛應用于生命科學基礎研究和疾病治療等領域。
紅光因具有較高的組織穿透性備受關注。2017年，華東師大生命科學學院的葉海峰研究員課題組在 Science Translational Medicine 發表封面文章，報道了一種利用遠紅光調控基因表達的工具，并將合成生物學和電子工程學相結合，首次實現了通過智能手機遠程調控移植體內的光敏細胞表達釋放胰島素降血糖；2022年，Nature Biotechnology 報道了REDMAP光控系統，該系統具有高轉錄激活效率(1 s, >150倍)和快速激活/失活(1 s)動力學的特點。
然而現有的紅光調控工具在臨床應用中仍然有很大的局限性，比如光控模塊大，響應光的速度慢，需要外源提供色素分子等問題，2024年11月27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研究員葉海峰團隊在Nature Communications雜志上發表題為“ A sensitive red/far-red photoswitch for controllable gene therapy in mouse models of metabolic diseases ”的研究論文，開發了一種模塊小、無需外源添加色素且靈敏度高的新型光遺傳學工具——REDLIP系統。
Nature Communications 刊發葉海峰團隊研究成果
該系統基于耐輻射球菌的細菌光敏色素光感受器DrBphP（通過哺乳動物內源普遍存在膽綠素BV對光信號做出反應，無需額外添加色素分子）及伴侶蛋白LDB3，在紅光（660 nm）照射下，BphP與LDB3相互作用，激活目的基因表達；在遠紅光（780 nm）照射下，BphP與LDB3分離，轉基因表達終止（圖１）。為了提高光敏蛋白DrBphP對紅光感應的穩定狀態，將擬南芥光敏蛋白PhyA的NTE結構域（Pn-REDLIP）或真菌光敏蛋白FphA的NTE結構域（Fn-REDLIP）融合表達于DrBphP-PCM的N端，成功穩定光敏蛋白Pfr狀態，提升了紅光系統的靈敏性，紅光僅誘導10s，就能顯著誘導報告蛋白的表達，Pn-REDLIP（106倍） 和Fn-REDLIP（65倍）均表現出良好的紅光響應特性。
圖1. 新一代光遺傳學工具REDLIP系統設計原理及不同應用場景
研究人員對不同模塊進行優化和測試，發現Fn-REDLIP系統具有較高的激活能力，Pn-REDLIP系統具有較底的本底泄露(圖２)。緊接著研究人員對REDLIP系統進行動力學表征。研究結果顯示，REDLIP系統具有良好的光譜特異性，光照強度、光照時間、以及高度的可逆性和時空特異性。該系統具有超高的靈敏度，只需要10秒鐘的紅光照射，即可實現100倍左右的基因誘導表達效果。
圖2. REDLIP光照不同時間的動力學
將REDLIP與CRISPR/dCas9結合，構建了一套紅光調控的基因組轉錄系統（REDLIPcas）。在哺乳動物細胞和小鼠肝臟中實現了光照對內源基因轉錄的高效調控，且基因轉錄具有良好的光照時間依賴性。
作為概念驗證，研究人員利用AAV基因治療載體遞送REDLIP系統到代謝疾病小鼠的肌肉、肝臟組織，成功實現了光控胰島素、減肥治療蛋白TSLP的表達，從而有效降低了1型糖尿病模型小鼠的血糖水平和減輕了肥胖模型小鼠的體重。
最后，研究人員將光遺傳學和電子工程學相結合，設計了一款能夠通過智能手機ECNU-TeleMed app控制的紅光LED貼片，LED貼片可以很好地解決自然光干擾系統泄露表達的問題，實驗證明每3天只需要光照半個小時即可實現顯著體重下降，達到光照減肥的效果（圖３）。
圖3. 智能手機控制LED貼片用于減肥激素的可控釋放
總之，REDLIP是一套無需外源添加色素、靈敏性高(< 10 s)、誘導效率高(> 100倍)且具有生物兼容性好和組織穿透力強的新型光遺傳學工具，這種光控基因治療策略在需周期性調控激素類藥物的疾病（如糖尿病、甲狀腺疾病以及與月經周期相關的激素失衡）的精準治療中展現出潛力，有望加速基因治療和細胞治療從基礎研究向生物醫學轉化研究的進展。此外，與電子工程學的結合，能夠為未來個性化、智能化醫療領域提供可能。
華東師范大學生命科學學院2023屆博士畢業生喬龍亮，2022級博士研究生牛靈雪，王美艷研究員（現單位：上海大學醫學院）為共同第一作者，葉海峰研究員為論文的通訊作者。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專項的資助。
附：
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54781-2
來源｜生命科學學院、科技處 編輯｜史佳妮 編審｜郭文君
