研究團隊在AAV載體中還加入了生產(chǎn)胰島素和減肥治療蛋白（TSLP）的基因，讓目標細胞能在光控開關(guān)的控制下生產(chǎn)這兩種藥物蛋白。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擁有這些“改造”細胞的疾病模型小鼠（糖尿病、肥胖），在通過照射紅光之后，血糖水平降低，體重得到控制。
我們的身體就像一個巨大的“工廠”，細胞在其中忙碌地工作。基因就像是工廠里的“操作手冊”，告訴細胞該做什么。隨著基因技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)能夠在一定程度上“改寫”基因，讓細胞制造特定的產(chǎn)物，實現(xiàn)治療等目的。
有時，我們希望細胞在特定的時候做特定的工作，這就需要一個遠程控制系統(tǒng)。光照變化是地球上的生物共同面臨的環(huán)境，對生命節(jié)律等活動有著重要的影響。科學家們發(fā)現(xiàn)，光線能夠調(diào)節(jié)一些生物的基因表達，這成了構(gòu)造基因“遙控器”的靈感。近日，有研究團隊開發(fā)了新一代紅光調(diào)控轉(zhuǎn)基因表達控制系統(tǒng)，能夠通過紅光照射，控制小鼠體內(nèi)經(jīng)過基因改造的細胞按需生產(chǎn)胰島素、抗肥胖藥物蛋白，實現(xiàn)減肥、降血糖的目的。
這項研究于2024年11月27日發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上，作者是華東師范大學生命科學學院、上海市調(diào)控生物學重點實驗室、醫(yī)學合成生物學研究中心研究員葉海峰團隊。
先前有文章報道耐輻射奇球菌的光敏蛋白DrBphP在紅光的照射下，能與納米抗體LDB3相互作用；而當照射遠紅光時，這兩種蛋白則會分離。基于此，該研究團隊將來源于擬南芥、構(gòu)巢曲霉的光敏蛋白N端結(jié)構(gòu)分別與DrBphP的光敏核心區(qū)進行理性組合，生成了嵌合光敏蛋白FnBphP和PnBphP，這兩個新生成的蛋白在紅光照射后與LDB3結(jié)合得更加穩(wěn)定，再經(jīng)過基因線路組裝開發(fā)了REDLIP基因光控系統(tǒng)。
有了光控“開關(guān)”，還要想辦法將它“安裝”到目標細胞中。研究人員們通過一種基因治療載體（AAV，腺相關(guān)病毒）將光控系統(tǒng)基因遞送到小鼠的肌肉和肝臟組織，“指揮”它們自行生產(chǎn)出光控“開關(guān)”并安裝到自己身上。
肌細胞和肝臟細胞本身并不能生產(chǎn)出胰島素等治療物質(zhì)。研究團隊在AAV載體中還加入了生產(chǎn)胰島素和減肥治療蛋白（TSLP）的基因，讓目標細胞能在光控開關(guān)的控制下生產(chǎn)這兩種藥物蛋白。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擁有這些“改造”細胞的疾病模型小鼠（糖尿病、肥胖），在通過照射紅光之后，血糖水平降低，體重得到控制。
自然光中也包含紅光，可能在不需要治療的時候激活這些光控細胞。為了解決這個問題，研究團隊還開發(fā)了一種LED貼片，將這些改造的細胞（如肌肉組織處）遮蓋住，只在需要治療的時候通過智能手機APP開啟紅光。實驗表明每3天只需要光照半個小時即可實現(xiàn)顯著體重下降，達到光照減肥的效果。
研究團隊開發(fā)了一種通過手機APP控制的LED貼片來治療經(jīng)過基因“改造”的小鼠。受訪者供圖
這種治療方式有什么優(yōu)勢？通過基因工程改造細胞安全嗎？用在人體上還要克服哪些困難？為了回答這些問題，澎湃科技采訪了該研究通訊作者、華東師范大學生命科學學院副院長、研究員葉海峰。
【對話】
澎湃科技：光遺傳學是什么？相比其它基因調(diào)控手段，光調(diào)控有什么特點？該研究為什么使用紅光？自然界中的光照會影響該系統(tǒng)的表達嗎？
葉海峰（研究通訊作者、華東師范大學生命科學學院副院長、研究員）：光遺傳學是一種將光學和遺傳學技術(shù)相結(jié)合的新興學科，簡單來說，就是通過在特定的細胞或組織中表達光敏蛋白，使得細胞或組織在特定光照條件下發(fā)生響應(yīng)，從而能夠在光照下控制其生物學活動。
相比其它基因調(diào)控手段，光調(diào)控的特點包括非侵入性、遠程無痕、空間特異性、可調(diào)節(jié)性強等。
紅光具有較高的生物相容性和組織穿透性，能夠照射到深層次的器官，比如肝臟組織。自然界中的光是混合光，各個波長的光都存在，我們的實驗表明會有一定的干擾。為了解決這個問題，我們開發(fā)了一種智能手機控制的LED貼片，它能夠很好地解決自然光干擾的問題。
澎湃科技：REDLIP調(diào)控系統(tǒng)的本質(zhì)是什么？研究者是如何對其改造以獲得期望的功能的？所有這些基因組件的功能都已知且唯一嗎？會不會存在意料之外的后果？
葉海峰：它的本質(zhì)是：我們將來源不同物種的光敏蛋白進行雜交組合，生成一類嵌合光敏蛋白，使其在紅光照射后能夠與伴侶蛋白LDB3結(jié)合的更加穩(wěn)定，然后經(jīng)過人工基因線路設(shè)計，實現(xiàn)基因調(diào)控的目的。
我們在2021年開發(fā)了基于擬南芥PhyA的超靈敏紅光系統(tǒng)（REDMAP），當時就好奇為什么PhyA與伴侶蛋白結(jié)合得這么靈敏，后續(xù)我們查閱相關(guān)文獻，發(fā)現(xiàn)相較于來源于細菌的光敏蛋白，真菌（FphA）和植物（PhyA）的光敏蛋白在N端多了一段NTE序列，有研究表明，NTE結(jié)構(gòu)能夠維持光敏蛋白在660 nm光照后的構(gòu)象（Pfr狀態(tài)）狀態(tài)，減緩其暗回復，于是我們就將其他物種的NTE結(jié)構(gòu)嫁接到細菌光敏蛋白DrBphP的N端，經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)確實能夠起到減緩其暗回復的效果，換個說法就是提高了光照靈敏度。
這些組件的基本模塊功能大都是已知的，但是需要人工理性設(shè)計改造并重新拼接組裝后才能實現(xiàn)新的生物功能。比如我們用到的光敏蛋白DrBphP，它本身是一種細菌蛋白激酶，在這里我們對其C端的激酶模塊進行了刪除，但不會影響其響應(yīng)光的性能，此外來源的酵母的GAL4，它本身既可以結(jié)合DNA特定序列還能招募RNA聚合酶，在這里我們僅僅使用了它結(jié)合DNA的模塊。
澎湃科技：研究使用AAV基因治療載體將該系統(tǒng)遞送到小鼠的肌肉和肝臟組織。能否解釋一下這個載體的原理？它是如何使目標細胞生產(chǎn)出胰島素和減肥治療蛋白的？
葉海峰：AAV是一種常用的基因治療載體，根據(jù)血清型的不同，能夠?qū)⑼庠椿蜻f送到特定的靶細胞或組織中。在這里我們選擇的組織是肌肉和肝臟，這兩個組織在機體內(nèi)分裂增殖慢，能夠很好地作為“藥物倉庫”。我們選擇8型或者9型AAV，利用REDLIP模塊緊湊的特點，將其包裝成兩個AAV載體，然后感染這兩個組織，當需要藥物釋放時，只需要照射紅光，就可以啟動胰島素或者抗肥胖蛋白的表達。
澎湃科技：可否將這個過程理解為“被一種人工感光病毒感染了”？它改變了小鼠本身的基因嗎？這種變化能持續(xù)多久，會不會影響到其它細胞，會不會遺傳？
葉海峰：AAV 基因治療不是感染。它通過將目的基因?qū)爰毎麑崿F(xiàn)。有效時間因AAV載體血清型、組織類型、免疫反應(yīng)和基因特性等因素而異，從數(shù)周、數(shù)月到數(shù)年不等。一般情況下，AAV 很少整合進細胞基因組，通常不會遺傳，在正常組織內(nèi)主要對轉(zhuǎn)導的細胞起作用，對其他細胞影響較小。因為AAV不會像慢病毒那樣將基因整合到細胞基因組中，因此它不會遺傳。
澎湃科技：既然基因治療有從底層修復的能力，為什么不直接修復代謝疾病相關(guān)的基因？感光調(diào)控是否多此一舉？
葉海峰：這有兩個方面的原因。首先，基因治療雖然能夠從底層修復，但是這也存在脫靶的風險，比如基因編輯技術(shù)；其次，有些基因必須需要精準的調(diào)控，過多的話副作用嚴重，過少的話起不到療效，比如很典型的胰島素或者其它激素類細胞因子等。
澎湃科技：這種技術(shù)若要使用在人體上，是否已經(jīng)成熟？還有哪些需要解決的問題？安全性上有哪些可能的挑戰(zhàn)？
葉海峰：目前光遺傳學在人體上的應(yīng)用仍處于探索階段，盡管其在小動物模型中表現(xiàn)出巨大的潛力，但要實現(xiàn)對人體的安全、高效應(yīng)用，還需要解決一系列技術(shù)、臨床和安全性挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括基因遞送的效率與精準性、光源的深度傳遞以及免疫反應(yīng)等方面。
有個令人鼓舞的案例是在2021年，瑞士巴塞爾大學與美國匹茲堡大學團隊合作在Nature Medicine上宣布，他們通過光遺傳學技術(shù)，首次成功恢復了一位盲人的部分視力，這一消息標志著光遺傳開始走進臨床研究。此外在特定的場景下，比如糖尿病、甲狀腺疾病以及與月經(jīng)周期相關(guān)的激素失衡等，光控基因治療策略也展現(xiàn)出很大的可能性，有望加速基因治療和細胞治療從基礎(chǔ)研究向生物醫(yī)學轉(zhuǎn)化研究的進展。
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記者丨季敬杰
來源丨澎湃新聞
編輯丨王藍萱
編審丨郭文君
