又一基因工具实现光控！可使试验鼠局部变异

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◎ 科技日报记者 张佳星

在《水浒传》中，祝家庄用一盏高悬的红灯笼指挥人马，红灯笼照到哪里战斗就在哪打响，这让宋江部队久攻不下。

可见，“光控”能够完美地实现安全、有效、远程、无痕。我国科学家将这个“战术”巧妙地融合进基因重组系统中，不仅实现了对基因重组的有效控制，还解决了此前困扰学界很久的生物学毒性、组织器官特异性、组织穿透性差等问题。

7月24日，《自然·通讯》报道了我国学者华东师范大学生命科学学院研究员叶海峰团队开发的这一全新生物学系统——远红光调控的分割型Cre-loxP重组酶系统。通过合成生物学的设计，融入了光控系统的重组酶，能够像祝家庄部队一样在LED远红光照到的地方才能启动“战斗”。

基因功能研究利器却自带“痛点”

从包括人类基因组计划在内的各物种基因组计划以来，人类虽然读出了传递“生命密码”的基因组序列，但并不清楚每个基因是做什么用。

为了破译基因的功能，人们通过让该基因失活，看生物体内发生的变化，或者直接把这个基因敲入到模型动物（试验鼠最常用）中，看试验鼠发生的变化，进而研究一个基因在生命活动中的具体功能。

Cre-loxP重组酶系统能够对基因实现定向改造，因为Cre重组酶只认识叫做loxP的位点，所以能帮科学家做很多研究。

系统虽然好用，但是问题来了，Cre重组酶是1981年从P1噬菌体中发现的，它本不是哺乳动物与生俱来的。“持续稳定的表达Cre重组酶会导致早期胚胎致死问题，不利于后续基因功能的研究。”论文通讯作者、华东师范大学生命科学学院研究员叶海峰对科技日报解释，另一方面，长期表达Cre重组酶也会对细胞造成一定的毒性，导致染色体的重排和细胞生理功能的紊乱。

也就是说，如果小鼠在全生命周期都表达这个外来的Cre重组酶，要么“短命”，要么“生病”。那留给科学家的研究空间非常有限，研究效果也可能不理想。

“近年来，科学家将合成生物学理念融入Cre-loxP重组酶系统中，开发出了一系列调控式新系统，但是这些诱导系统仍然具有一定程度的毒性，且组织穿透性差，这些都极大地限制了Cre-loxP重组酶系统在动物体内的应用。”叶海峰说，比如化学分子诱导的方法、紫光/蓝光诱导的方法等，都在应用中产生了新的“痛点”。

前挂“智能线路”，满足定制要求

在此次发表的论文中显示，研究团队利用该课题组前期开发的远红光调控的哺乳动物细胞转基因表达控制系统，将4个主要元件拼接组装，完成了远红光到重组酶“开关”的信号通路建设。

元件包括感光“活起来”的光敏蛋白、担任“信使”的生物小分子、执行“号令”的信号蛋白、被遥控的Cre重组酶基因。“开”或者“关”的信号，经过顺畅的传导进而能够控制Cre重组酶的产生或消失。

“经过这样的改造，基因重组不仅可以在时间上受控（比如在小鼠的老年阶段表达研究老年痴呆相关基因的功能），还可以在空间上受控（比如为了研究心衰的问题，只让某基因在心脏部位失活）。”叶海峰说，生命科学研究中，经常会需要的这样的“定制性”要求，就可以实现了。

“再比如，有些基因的全身性缺失是致死性的，那就不能持续研究，现在如果用光来控制基因的定点缺失，就可以研究这类关键基因的功能。”叶海峰说，由于远红光穿透性好，心脏角落里也是可以照到的，也能够工作。

加了“智能线路”的系统设计完成后，叶海峰团队将其命名为“FISC系统”，并用“3步走”的实验严谨地对整个程序进行了测试。

“与计算机编程相似，合成生物学的测试也是优化的过程。”叶海峰说，对人胚胎肾细胞的测试最开始不理想，但通过优化启动子、质粒量等参数，最终获得了最优解。

随后，研究团队人员分别在哺乳动物细胞中、小鼠体内测试了FISC系统，结果显示，无论是细胞水平、小鼠体内，FISC系统在远红光照射下，才表现转基因功能，并有较高效的重组效率。

为了在体内高效递送FISC系统，研究团队将FISC系统构建在腺病毒载体上，对转基因报告小鼠进行转基因操作，小鼠活体成像和肝脏成像显示，与黑暗组小鼠相比，光照组小鼠荧光蛋白表达量更高。

一个不起眼的蛋白却堪当大任

祝家庄的红灯笼大战，靠得是人眼对红光的识别。而在生命科学的光控体系中，让生命活动与光“攀上关系”的是一种名为BphS的光敏蛋白。

人类一直希望从外面精准控制基因表达，早期希望通过化学小分子达成，更形象地说：“用点药”“加点料”。

“我觉得小分子控制可能意义不大，因为化学分子一加进去就失去局部控制效果。”叶海峰讲道，他感觉，用光来控制基因的表达不同，能够实现指哪打哪。

说到光，最先想到人眼睛的视网膜中的蛋白，因为人眼对光有感应。因此，叶海峰最先研究的是人视网膜中的光敏蛋白，但这种蛋白天生对特定频率的光敏感，这些频率透皮效果差。

“为了找到好用的光敏蛋白，我们从文献中‘大海捞针’，我发现有一些文章报道了微生物、植物里的远红光响应蛋白，可用光的范围就更广泛了。”叶海峰说，后来有学者从微生物里鉴定找到了BphS的光敏蛋白，就是我们现在用的光敏蛋白。

神奇的大自然中有很多类似的光敏蛋白，需要挖掘和发现、也需要探索如何善加利用，前者犹如勘探挖矿，后者犹如精炼加工。没有后者的探索，很多时候一个蛋白的发现可能并不起眼。

“我们根据蛋白的一些功能、工作特性，将光敏蛋白从红细菌中转移到哺乳动物体系，让其仍旧能够工作。”叶海峰说，期间设计了很多策略，通过合成生物学理论组装拼接各种部件，组装成功能不同的基因回路。

“未来，基因调控系统可能更加复杂。比如蓝光、红光、紫光传递不同的信号，进而实现多色光的控制，同时通过加入逻辑运算，控制一个更加复杂的细胞行为。”叶海峰说，总体而言，合成生物学的长远发展将演绎更复杂的生命科学问题。

来源：科技日报（图片由作者提供）

原标题：《又一基因工具实现光控！可使试验鼠局部变异》

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