你已經(jīng)聽說過“自然與培育”，哲學(xué)家們爭論哪個(gè)更為重要。但這如何在細(xì)胞水平上起作用?

盡管基因在整個(gè)生命周期中保持不變，但遺傳密碼并不一定是一個(gè)人的命運(yùn)。事實(shí)上，可以打開和關(guān)閉基因以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的許多活動(dòng)。身體自然地響應(yīng)內(nèi)部需求或外部環(huán)境的變化，現(xiàn)在科學(xué)家能夠在實(shí)驗(yàn)室中打開和關(guān)閉這些過程。換句話說，研究人員已經(jīng)創(chuàng)建了一些工具，可以實(shí)現(xiàn)基因組特定位置的目標(biāo)基因的實(shí)時(shí)激活。這項(xiàng)技術(shù)可以幫助科學(xué)家在不同的生物過程中闡明基因功能，并希望在再生醫(yī)學(xué)中有用。德克薩斯A&M的研究人員正在使用兩種常見元素創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)：鈣和光。

鈣能夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過構(gòu)建強(qiáng)壯的骨骼 - 在這個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，因?yàn)樗男盘栒{(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的許多活動(dòng)，從生長和新陳代謝到體內(nèi)平衡。

打開鈣離子的流動(dòng)

周玉斌，德克薩斯A&M生物科學(xué)與技術(shù)研究所副教授，領(lǐng)導(dǎo)該研究開發(fā)了他所謂的CaRROT系統(tǒng)(用于鈣響應(yīng)轉(zhuǎn)錄重編程工具)。該系統(tǒng)可以高精度地控制體內(nèi)基因的轉(zhuǎn)錄 - 換句話說，它可以決定基因如何，何時(shí)以及何處產(chǎn)生執(zhí)行各種細(xì)胞功能的蛋白質(zhì)。

CaRROT使用簡單的光脈沖或化學(xué)物質(zhì)，可以誘導(dǎo)鈣離子流入細(xì)胞。研究人員在最近發(fā)表于ACS Synthetic Biology期刊上的一篇文章中描述了他們的技術(shù)。“這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)該允許科學(xué)家通過簡單地轉(zhuǎn)換光線或添加或取出活化化合物來打開或關(guān)閉任何位置的各種基因，”周說。

研究人員設(shè)計(jì)了CaRROT來劫持光產(chǎn)生的鈣信號(使用Opto-CRAC，??周和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的另一項(xiàng)技術(shù))來提供源自CRISPR / Cas9系統(tǒng)的基因組工程工具來打開基因。“當(dāng)燈打開時(shí)，控制鈣離子的大門打開，允許鈣從外部空間流入細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)，”周氏實(shí)驗(yàn)室的研究生Nhung Nguyen表示。“這個(gè)過程最終會(huì)打開特定基因的表達(dá)。”然后，基因表達(dá)的開啟導(dǎo)致細(xì)胞功能的改變。

“我們篩選了數(shù)十種工程化蛋白質(zhì)并進(jìn)行了多輪優(yōu)化，使CaRROT系統(tǒng)嚴(yán)格響應(yīng)光線，”周氏實(shí)驗(yàn)室的研究生兼聯(lián)合第一作者Lian He博士補(bǔ)充道。為了評估CaRROT在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的真實(shí)效果，研究小組將對控制神經(jīng)元和骨骼肌分化的基因進(jìn)行測試。他們希望他們可以在再生醫(yī)學(xué)中使用CaRROT來驅(qū)動(dòng)干細(xì)胞精確分化成所需的任何類型的器官，只需用光照射細(xì)胞即可。

“深層組織中光穿透的改善使我們樂觀地認(rèn)為我們可以使用CaRROT重建受損器官中的細(xì)胞，”該研究的合作高級作者Yun Huang博士說。“有一天，通過將組織暴露在光線下，我們可以通過光調(diào)諧協(xié)調(diào)的基因表達(dá)來治愈傷口或加速受損組織的再生。”

轉(zhuǎn)變鈣流入

在最近發(fā)表在Angewandte Chemie期刊上的第二項(xiàng)研究中，周和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種新的光遺傳學(xué)工具，可以做相反的工作。隨著光照射在“興奮”組織(如神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng))中的細(xì)胞上，可以關(guān)閉通過細(xì)胞膜上的網(wǎng)關(guān)(稱為電壓門控鈣通道)的鈣流入。這些通道構(gòu)成鈣進(jìn)入細(xì)胞的主要途徑，調(diào)節(jié)一系列生理過程。由于它們的功能障礙涉及許多疾病，因此它們被認(rèn)為是心血管和神經(jīng)精神疾病的重要治療靶點(diǎn)。

美國食品和藥物管理局批準(zhǔn)的傳統(tǒng)鈣通道阻滯劑已廣泛用于治療心血管疾病，包括高血壓，心律失常和冠狀動(dòng)脈疾病。然而，由于它們的細(xì)胞毒性和脫靶效應(yīng)，這些藥物往往會(huì)引起副作用，包括頭痛，水腫，危險(xiǎn)的低血壓和心悸。“由于這些副作用，臨床上非常需要產(chǎn)生新的介入方法來補(bǔ)充傳統(tǒng)的鈣通道阻滯劑，”周說。“我們新的光遺傳學(xué)工具提供了一種非常規(guī)方法來詢問這些電壓門控鈣通道所治療的生理和病理生理過程。”

周和他的合作者將遺傳策略與光學(xué)技術(shù)相結(jié)合，為這些電壓門控鈣通道設(shè)計(jì)了一類新的遺傳編碼抑制劑。“經(jīng)過極大的優(yōu)化努力，我們開發(fā)出了一種理想的光可切割抑制劑，我們稱之為optoRGK .OptoRGK在可興奮細(xì)胞中表現(xiàn)出優(yōu)異的光誘導(dǎo)抑制鈣離子進(jìn)入的能力，”周氏實(shí)驗(yàn)室助理項(xiàng)目科學(xué)家Guolin Ma博士說。誰是該項(xiàng)目的先鋒。

研究小組在心肌細(xì)胞中測試了這種工具，它顯示出黑暗中與心臟跳動(dòng)節(jié)律相匹配的鈣的節(jié)律性振蕩。“然而，在藍(lán)光照射下，節(jié)奏振蕩可以大大減少甚至終止，”周說。“值得注意的是，這個(gè)過程在移除光源后是完全可逆的。”

通過這種方法，研究人員可以調(diào)節(jié)神經(jīng)和心血管系統(tǒng)中可興奮細(xì)胞的活動(dòng)。“可光活化的Opto-CRAC系統(tǒng)的補(bǔ)充，optoRGK工具包提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)來關(guān)閉可興奮細(xì)胞中的鈣信號，”北京師范大學(xué)這項(xiàng)研究的合作者YoujunWang博士說。

“我們的新型光遺傳學(xué)工具可以方便地應(yīng)用于控制多種生物系統(tǒng)中電壓門控鈣通道介導(dǎo)的各種生理過程，”Zhou補(bǔ)充說。“雖然傳統(tǒng)的電壓門控鈣通道阻滯劑缺乏可逆性，選擇性和組織特異性，但optoRGK開啟了以前所未有的精確度干預(yù)相關(guān)生理過程的令人興奮的機(jī)會(huì)。我們希望這些研究最終將導(dǎo)致新一代光遺傳學(xué)器械用于治療癌癥，心血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。“